車(chē)輛高低溫雙循環(huán)散熱系統(tǒng)高原環(huán)境性能分析及仿真研究

孫曉霞?邵春鳴?宋俊杰?舒成龍?牛丹華?高佳瑜?王國(guó)柱

摘 要 針對(duì)車(chē)輛高低溫雙循環(huán)散熱系統(tǒng)，高原環(huán)境參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)既有有利的影響也有不利的影響的特點(diǎn)以及目前缺乏系統(tǒng)性研究的現(xiàn)狀，開(kāi)展高低溫雙循環(huán)散熱系統(tǒng)高原環(huán)境系統(tǒng)性能分析及仿真研究。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)公式相結(jié)合的建模方法在整車(chē)性能仿真軟件GT SUITE平臺(tái)下搭建散熱系統(tǒng)性能仿真模型，定量研究了散熱系統(tǒng)散熱影響因素隨海拔高度的變化關(guān)系。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明：對(duì)于高低溫雙層散熱結(jié)構(gòu)，在海拔高度較?。ǖ陀?000m）情況下，環(huán)境溫度的降低相較于大氣密度的降低對(duì)散熱系統(tǒng)的性能影響是關(guān)鍵因素;當(dāng)海拔高度升到3000m以上時(shí)，大氣密度的降低相較于環(huán)境溫度的降低對(duì)散熱系統(tǒng)的性能影響是關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞 散熱系統(tǒng);高低溫雙循環(huán);高原環(huán)境;性能仿真

引言

在高原環(huán)境中，隨著海拔高度的增加，大氣壓力、空氣密度、含氧量、氣溫和水的沸點(diǎn)均呈下降趨勢(shì)，對(duì)于車(chē)輛而言，柴油機(jī)氣缸內(nèi)充氣量減少，過(guò)量空氣系數(shù)下降，可燃混合氣過(guò)濃，燃燒狀況惡化，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降，熱負(fù)荷增加，熱量分配相比平原地區(qū)有較大的變化。

國(guó)內(nèi)和國(guó)外在二十世紀(jì)末就開(kāi)始了發(fā)動(dòng)機(jī)的高原適應(yīng)性研究，主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境時(shí)，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降進(jìn)行研究，對(duì)于高原恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率技術(shù)，國(guó)外采用可變幾何渦輪增壓器、帶放氣閥的增壓器等措施對(duì)于在高原地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率恢復(fù)具有良好的效果。我國(guó)各大高校以及研究研所等單位對(duì)于高原功率恢復(fù)的問(wèn)題也開(kāi)展了一系列研究[1-2]，取得了一定的科研成果。我國(guó)現(xiàn)有的特種車(chē)輛散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要針對(duì)在平原地區(qū)的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)、最大負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算和校核，國(guó)外開(kāi)展的相關(guān)研究大都是3000m以下，針對(duì)4000m以上高原環(huán)境的車(chē)輛散熱研究很少，尤其針對(duì)高低溫雙循環(huán)散熱系統(tǒng)，高原環(huán)境參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)既有有利的影響也有不利的影響，缺乏系統(tǒng)性的定量研究來(lái)驗(yàn)證高原環(huán)境對(duì)散熱系統(tǒng)性能的影響。

因此本文開(kāi)展了高原環(huán)境下，隨著海拔高度的增加高低溫雙循環(huán)散熱系統(tǒng)性能變化的定量研究。本文以某特種車(chē)輛高低溫雙循環(huán)散熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，開(kāi)展高原環(huán)境對(duì)高低溫雙循環(huán)散熱系統(tǒng)性能的影響研究。在進(jìn)行定性理論分析的前提下，根據(jù)高低溫雙循環(huán)散熱系統(tǒng)方案在整車(chē)性能分析軟件GT SUITE平臺(tái)下搭建散熱系統(tǒng)性能仿真模型，進(jìn)而開(kāi)展車(chē)輛高原環(huán)境散熱系統(tǒng)性能仿真研究。

1 散熱系統(tǒng)傳熱性能分析

1.1 散熱系統(tǒng)方案

根據(jù)該特種車(chē)輛熱源部件的工作需求，散熱系統(tǒng)水路采用單泵雙循環(huán)高低溫回路冷卻方案，油路中傳動(dòng)油采用油空、油水二級(jí)散熱方案。其中，高溫回路包括發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)油冷器;低溫回路包括水空中冷器、傳動(dòng)油冷器和分動(dòng)箱油冷器。氣路由一個(gè)混流排風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)循環(huán)，最終熱量經(jīng)由散熱器模塊散到外界環(huán)境中，具體散熱系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1.2 高原環(huán)境大氣熱力學(xué)參數(shù)對(duì)散熱系統(tǒng)冷卻能力的影響

散熱系統(tǒng)中采用板翅式緊湊散熱器，并采用混流排風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻方式。

散熱器內(nèi)部冷流（空氣）和熱流（冷卻液）的冷卻傳熱可采用公式（1）～（3）進(jìn)行計(jì)算[3]：

式中，、和分別為空氣、冷卻液和散熱器的散熱量;和分別為空氣和冷卻液的質(zhì)量流量;和分別為空氣和冷卻液的比熱容;和分別為空氣入口和出口溫度;和分別為冷卻液入口和出口溫度。

式中，和分別為熱流體與內(nèi)側(cè)光表面之間的換熱系數(shù)和外側(cè)冷流體與肋表面之間的換熱系數(shù);和分別為肋的厚度及其導(dǎo)熱系數(shù);為肋化系數(shù);為肋總效率。

綜上可得高原環(huán)境對(duì)于散熱系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[4]：

（1）海拔高度對(duì)對(duì)數(shù)平均溫差的影響。隨著海拔高度的升高，環(huán)境溫度即散熱器冷側(cè)入口溫度降低使得散熱器的對(duì)數(shù)平均溫差升高，有利于提高散熱器的散熱量。

（2）海拔高度對(duì)冷卻排風(fēng)扇散熱能力的影響。隨著海拔高度的升高，環(huán)境壓力降低使得大氣密度降低，在假設(shè)體積流量不變的情況下風(fēng)扇質(zhì)量流量隨密度降低而降低，導(dǎo)致散熱系統(tǒng)氣側(cè)所能帶走的熱量減少。

（3）海拔高度對(duì)散熱器自身傳熱系數(shù)的影響。散熱器的散熱能力主要取決于傳熱系數(shù)，而、、和等參數(shù)由散熱器結(jié)構(gòu)決定，與大氣熱力學(xué)參數(shù)無(wú)關(guān);熱側(cè)流體在管內(nèi)流動(dòng)，因此熱側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)也與大氣狀態(tài)無(wú)關(guān)，所以影響傳熱系數(shù)的主要因素是大氣側(cè)即冷側(cè)換熱系數(shù)的變化。

其中，與海拔高度無(wú)關(guān)，、和隨海拔高度的變化不大，只有空氣密度隨海拔高度的上升而明顯減小，從而使得換熱系數(shù)隨海拔高度的升高而顯著減小，因而散熱器的傳熱系數(shù)隨海拔高度的升高而減小。

綜合以上定性分析，高原情況下，散熱系統(tǒng)散熱能力的變化需要綜合考慮上述因素，具體評(píng)價(jià)其散熱能力的升高或下降需要定量的研究各個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)的綜合影響，因此本次研究中基于GT平臺(tái)下的車(chē)輛熱管理模塊，搭建整車(chē)散熱系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真對(duì)高原環(huán)境下散熱系統(tǒng)的散熱能力的變化進(jìn)行定量的研究。

2 散熱系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)系統(tǒng)方案，在GT平臺(tái)下搭建某特種車(chē)輛散熱系統(tǒng)仿真模型，具體如圖2所示。通過(guò)該仿真模型綜合匹配水側(cè)和氣側(cè)的壓力和流量分配，研究系統(tǒng)傳熱過(guò)程中及達(dá)到熱平衡后的綜合散熱情況。

2.1 外界環(huán)境模型

GT平臺(tái)下的環(huán)境模塊通過(guò)公式（10）建立外界環(huán)境模型，該模型可以模擬計(jì)算不同海拔高度條件下大氣的溫度和壓力等熱力學(xué)參數(shù)。

式中，T為折算溫度;T0為由特征溫度決定的初始溫度;海拔高度與參考海拔高度的高度差;P為折算壓力;P0為由特征壓力決定的初始?jí)毫?g為重力加速度;R為氣體常數(shù)。

2.2 水泵模型

散熱系統(tǒng)中水路采用一泵雙循環(huán)方案，水泵由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)。仿真中采用試驗(yàn)建模法建立水泵模型，GT環(huán)境對(duì)輸入的水泵特性數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的擬合處理，具體如圖3所示。

2.3 風(fēng)扇模型

散熱系統(tǒng)采用單一混流式排風(fēng)扇，同樣應(yīng)用試驗(yàn)建模法建立風(fēng)扇仿真模型。仿真進(jìn)行前，GT環(huán)境會(huì)對(duì)輸入的風(fēng)扇特性數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的擬合處理，具體如圖4所示。該方法建立的風(fēng)扇模型重點(diǎn)放在風(fēng)扇的輸入、輸出特性上，而略去其內(nèi)部復(fù)雜的物理過(guò)程，該建模方法的優(yōu)點(diǎn)是其適用于所有類(lèi)型的風(fēng)扇。

2.4 散熱器模型

仿真中散熱器通過(guò)HxMaster和HxSlave模塊進(jìn)行建模。該模型可以應(yīng)用于平行流、對(duì)流以及交叉流散熱器。當(dāng)HxMaster模塊和HxSlave模塊配對(duì)連接完成后，可針對(duì)不同流體和散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行傳熱計(jì)算，具體如公式（11）和（12）所示[7]。

其中，為壁面溫度;為散熱量;h為對(duì)流換熱系數(shù);A為換熱面積;為流體和壁面間的對(duì)數(shù)平均溫差;為壁面材料的密度;為壁面材料的體積;壁面材料比熱容;M，S分別代表HxMaster模塊和HxSlave模塊。

流體和壁面之間的換熱量通過(guò)相應(yīng)的努塞爾數(shù)關(guān)聯(lián)式定義的對(duì)流換熱系數(shù)來(lái)計(jì)算：

其中，U為流體流速;L為參考長(zhǎng)度;k為流體導(dǎo)熱系數(shù);為流體密度;為流體的動(dòng)力黏度;為流體比熱容;m為無(wú)因次常數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)上文所建立的仿真模型，研究不同海拔高度（0～4500m）情況下散熱系統(tǒng)散熱影響因素的變化關(guān)系，具體仿真結(jié)果如圖5～圖8所示。仿真過(guò)程中建立以下兩個(gè)假設(shè)：①通過(guò)優(yōu)化匹配或進(jìn)氣補(bǔ)償?shù)仁侄问沟冒l(fā)動(dòng)機(jī)在高原工況下不降功率運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量保持不變;②當(dāng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)后，風(fēng)扇的體積流量不隨海拔高度的變化而改變。

圖5是不同海拔高度下的大氣密度、壓力及外界環(huán)境溫度的變化曲線(xiàn)。環(huán)境溫度隨海拔高度的升高而降低，從而使得散熱器氣側(cè)入口溫度降低，導(dǎo)致對(duì)數(shù)平均溫差有增大趨勢(shì);大氣密度也隨海拔高度的升高而降低，從而使得散熱器氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)降低，導(dǎo)致散熱器的傳熱系數(shù)降低，海拔1000m～4500m情況下，散熱器的傳熱系數(shù)比平原情況下降低了約9.6%～39.1%左右。同時(shí)，由于假設(shè)熱平衡狀態(tài)下風(fēng)扇的體積流量不隨海拔高度的變化而改變，而大氣密度隨海拔高度的升高而降低，因而氣側(cè)風(fēng)扇提供的質(zhì)量流量隨海拔高度的升高而降低，具體如圖6所示。風(fēng)扇質(zhì)量流量的降低導(dǎo)致氣側(cè)冷卻溫差增大，從而影響散熱器的對(duì)數(shù)平均溫差。在冷熱側(cè)出入口溫度的綜合作用下，海拔1000m～4500變化過(guò)程中，高、低溫散熱器的對(duì)數(shù)平均溫差分別比平原情況下增加了約5.5%～44.6%和9.7%～72.1%。高低溫散熱對(duì)數(shù)平均溫差及氣側(cè)換熱系數(shù)比平原情況降低百分比隨海拔高度的變化情況具體如圖7所示。

通過(guò)系統(tǒng)仿真綜合研究散熱器對(duì)數(shù)平均溫差和傳熱系數(shù)等因素對(duì)散熱系統(tǒng)的影響。仿真結(jié)果表明，對(duì)于高低溫雙層散熱結(jié)構(gòu)，在海拔高度較低（低于3000m）的情況下，外界環(huán)境溫度對(duì)散熱系統(tǒng)的有利影響可以抵消大氣密度降低對(duì)散熱系統(tǒng)造成的散熱能力降低，散熱系統(tǒng)可以滿(mǎn)足整車(chē)的散熱需求。當(dāng)海拔高度升到3000m以上時(shí)，大氣密度降低對(duì)散熱系統(tǒng)散熱能力的影響占主要地位，該情況下風(fēng)扇質(zhì)量流量和散熱器傳熱系數(shù)的降低，使得氣側(cè)的散熱能力不足，導(dǎo)致系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，具體如圖8所示。該問(wèn)題需要通過(guò)提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速加大冷卻風(fēng)量或更換大散熱裕度散熱器兩種途徑來(lái)解決。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）以某特種車(chē)輛散熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了高原環(huán)境下散熱系統(tǒng)散熱性能的影響因素，在理論分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)冷卻方案通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法在GT平臺(tái)下建立了一維散熱系統(tǒng)仿真模型。該模型對(duì)散熱系統(tǒng)的流量、溫度和壓力模擬與實(shí)際相符合，驗(yàn)證了采用GT一維仿真的有效性和可行性。

（2）通過(guò)參數(shù)化仿真，定量分析了高原環(huán)境下各參數(shù)對(duì)散熱系統(tǒng)性能的影響因素。綜合各參數(shù)（散熱器對(duì)數(shù)平均溫差和傳熱系數(shù)等）變化對(duì)散熱系統(tǒng)的影響，研究散熱系統(tǒng)不同海拔高度下的適應(yīng)能力。研究結(jié)果表明：對(duì)于高低溫雙層散熱結(jié)構(gòu)，在海拔高度較低（低于3000m）情況下，環(huán)境溫度的降低相較于大氣密度的降低對(duì)散熱系統(tǒng)的性能影響是關(guān)鍵因素，散熱系統(tǒng)可以滿(mǎn)足整車(chē)的散熱需求;當(dāng)海拔高度升到3000m以上時(shí)，大氣密度的降低相較于環(huán)境溫度的降低對(duì)散熱系統(tǒng)的性能影響是關(guān)鍵因素，該情況下會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，需要采用提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速加大冷卻風(fēng)量或更換大散熱裕度散熱器兩種途徑來(lái)提高散熱系統(tǒng)的散熱能力。

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作者簡(jiǎn)介

孫曉霞（1983-），女;學(xué)歷：博士學(xué)位，研究員，現(xiàn)就職單位：中國(guó)北方車(chē)輛研究所，研究方向：車(chē)輛熱管理。