高原车辆冷却系统参数化仿真研究

孙晓霞，邵春鸣，王国柱，杨德友，刘建峰

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

我国地域辽阔，是世界上高原面积占有率最大的国家，海拔1000～2000 m的高原面积占国土面积的25%，2000～3000 m高原面积占7%，3000 m以上占26%.其中云贵、青藏、帕米尔高原面积总计2.7×106km2，平均海拔在2000～4500 m［1］.环境温度和压力随着海拔高度的上升而逐渐降低，相应地大气密度也随之降低，通常情况下海拔高度每上升1000 m，大气密度将降低8%～9%，海拔4000 m以上时大气密度下降幅度较大，从而造成高原环境下，虽然进入车辆冷却系统的大气体积流量不会发生太大的变化，但质量流量会随着海拔高度的升高而显著降低，导致冷却系统气侧的冷却能力也将随着海拔高度的升高而急剧下降，使得车辆在高原行驶过程中经常出现过热的现象.针对这一特点，开展了某型特种车辆的高原适应性仿真研究.

以某型特种车辆冷却系统为研究对象，分析高原环境下冷却系统性能的影响因素.在理论分析的基础上，根据冷却方案在GT平台下建立冷却系统一维仿真模型，通过参数化仿真定量研究高原情况下冷却系统的性能变化.

1 冷却系统传热性能分析

1.1 冷却系统方案

根据该车辆热源部件的工作需求，冷却系统采用转向油散热器、传动油散热器和发动机水散热器并联布置方案，如图1所示.气路由两个混流排风扇来驱动循环，最终热量经由散热器模块散到外界环境中.

图1 冷却系统原理图

1.2 高原环境大气热力学参数对冷却系统冷却能力的影响

冷却系统中采用板翅式紧凑散热器，并采用混流排风扇强制冷却方式.

散热器内部冷流(空气)和热流(冷却液)的冷却传热可采用公式(1)～(3)进行计算［2］.

式中:Qa、Qc和Qr分别为空气、冷却液和散热器的散热量;ma和mc分别为空气和冷却液的质量流量;cpa和cpc分别为空气和冷却液的比热容;T'a和T″a分别为空气入口和出口温度;T'c和T″c分别为冷却液入口和出口温度.

式中:Kr为散热器的传热系数;Ar为散热器的传热面积;ΔTm为散热器的对数平均温差.

板翅式散热器和大气接触的散热翅片，在传热计算上可以当作肋处理，传热系数为:

式中:hh和hc分别为热流体与内侧光表面之间的换热系数和外侧冷流体与肋表面之间的换热系数;δ和λ分别为肋的厚度及其导热系数;β为肋化系数;η为肋总效率.

综上可得高原环境对于冷却系统的影响主要表现在以下几个方面:

1)海拔高度对对数平均温差的影响.随着海拔高度的升高，环境温度即散热器冷侧入口温度降低使得散热器的对数平均温差升高，有利于提高散热器的散热量.

2)海拔高度对冷却排风扇散热能力的影响.随着海拔高度的升高，环境压力降低使得大气密度降低，在假设体积流量不变的情况下，风扇质量流量随密度降低而降低，导致冷却系统气侧散热能力降低，系统热平衡温度升高.

3)海拔高度对散热器自身传热系数的影响.散热器的散热能力主要取决于传热系数Kr，而δ、λ、β和η等参数由散热器结构决定，与大气热力学参数无关;热侧流体在管内流动，因此热侧的对流换热系数也与大气状态无关，所以影响传热系数Kr的主要因素是大气侧即冷侧换热系数hc的变化.

换热系数hc与各物理量的关系可由下述准则方程导出［3］.努塞尔数的定义式为:

式中:de为当量直径.

在工程计算中，常采用传热因子j计算换热系数，j与Nu的关系式为:

式中:Re为雷诺数;Pr为普朗特数.

综合公式(4)和公式(5)可得:

对于空气侧来说，流体的流动状态一般为紊流.根据散热器中散热带形状和结构的不同，传热因子j的表达式也不同，但都具有共同的规律性即与Re的指数成比例关系［4-6］.

空气的Pr约为0.7，可视为常数，综合上述公式并合并常数项为C，可得:

式中:C和n为无因次常数.

雷诺数的定义式为:

式中:u为空气流速;l为特征长度(当量直径de);μ为空气的动力粘度，整理可得:

其中，de与海拔高度无关，u、μ和λ随海拔高度的变化不大，只有空气密度ρ随海拔高度的上升而明显减小，从而使得换热系数hc随海拔高度的升高而显著减小，因而散热器的传热系数Kr随海拔高度的升高而减小.

综合以上定性分析，高原情况下，冷却系统散热能力的变化需要综合考虑上述3方面的因素，具体评价其散热能力的升高或下降需要定量地研究该3者对系统的影响，因此本次研究中基于GT平台下的热管理模块，搭建整车冷却系统模型，通过仿真对高原环境下冷却系统的散热能力的变化进行定量的研究.

2 冷却系统仿真模型

根据系统方案，在GT平台下搭建车辆冷却系统仿真模型，如图2所示.通过该仿真模型综合匹配水侧和气侧的压力和流量分配，研究系统传热过程中及达到热平衡后的综合散热情况.

图2 冷却系统仿真模型

2.1 外界环境模型

GT平台下的环境模块通过公式(10)建立外界环境模型，该模型可以模拟计算不同海拔高度条件下大气的温度和压力等热力学参数［7］.

式中:T为折算温度;T0为由特征温度决定的初始温度;ΔZ为海拔高度与参考海拔高度的高度差;P为折算压力;P0为由特征压力决定的初始压力;g为重力加速度;R为气体常数.

2.2 水泵模型

冷却系统中水泵由发动机机械驱动.仿真中采用PumpSimple模块基于公式(11)建立水泵模型.

式中:V为水泵体积流量;V0为水泵初始体积流量;Vr为水泵额定体积流量;Δp为水泵扬程;Δp0为水泵初始扬程;Δpr为水泵额定扬程;a为由水泵额定体积流量、初始扬程和额定扬程决定的系数.

2.3 风扇模型

冷却系统采用单一混流式排风扇，同样应用试验数据建立风扇仿真模型.仿真进行前，GT环境会对输入的风扇特性数据进行相应的拟合处理，具体如图3所示.该方法建立的风扇模型重点放在风扇的输入、输出特性上，而略去其内部复杂的物理过程，该建模方法的优点是其适用于所有类型的风扇.

图3 风扇特性曲线

2.4 散热器模型

仿真中散热器通过HxMaster和HxSlave模块进行建模.该模型可以应用于平行流、对流以及交叉流散热器.当HxMaster模块和HxSlave模块配对连接完成后，可针对不同流体和散热器结构参数进行传热计算，具体如公式(12)和公式(13)所示.

式中:Tw为壁面温度;Q为散热量;h为对流换热系数;A为换热面积;ΔT为流体和壁面间的对数平均温差;ρw为壁面材料的密度;V为壁面材料的体积;Cpw为壁面材料比热容;M、S分别代表HxMaster模块和HxSlave模块.

流体和壁面之间的换热量通过相应的努塞尔数关联式定义的对流换热系数来计算:

式中:U为流体流速;L为参考长度;k为流体导热系数;ρf为流体密度;μf为流体的动力粘度;cpf为流体比热容;m为无因次常数.

3 仿真结果分析

根据所建立的仿真模型，研究不同海拔高度(0～4500 m)情况下冷却系统散热影响因素的变化关系.仿真过程中建立以下两个假设:1)通过优化匹配或进气补偿等手段，使得发动机在高原工况下不降低功率运行，发动机散热量保持不变;2)当达到热平衡状态后，风扇的体积流量不随海拔高度的变化而改变.

图4是不同海拔高度下的大气密度、压力及外界环境温度的变化曲线.环境温度随海拔高度的升高而降低，从而使得散热器气侧入口温度降低，导致对数平均温差有增大的趋势.大气密度也随海拔高度的升高而降低，从而使得散热器气侧对流换热系数降低，导致散热器的传热系数降低.海拔1000～4500 m情况下，发动机水散热器、转向油散热器及传动油散热器的传热系数比平原情况下降低了约8.2%～35.3%、8.1%～34.3%及7.5%～33.8%，如图5所示.同时，随着密度的降低，在假定风扇体积流量不变的情况下，风扇质量流量也随之降低，如图6所示.风扇质量流量降低导致流经散热器后，气侧的温度变化增大，从而导致对数平均温差有减小的趋势.同时气侧的散热能力降低还导致液侧热平衡温度的升高，从而导致对数平均温差有增大的趋势.在散热器气侧入口温度降低、出口温度升高及液侧入口温度升高的综合作用下，散热器对数平均温差随海拔高度的升高而增大.海拔1000～4500 m情况下，发动机水散热器、转向油散热器及传动油散热器的对数平均温差分别比平原情况下增加了约8.2%～50.6%、5.7%～33.6%及5.8%～34.0%，如图7所示.

图4 不同海拔高度下大气密度、压力及外界环境温度的变化

图5 不同海拔高度下散热器传热系数比平原降低百分比变化曲线

图6 不同海拔高度下风扇质量流量降低百分比变化曲线

图7 不同海拔高度下散热器对数平均温差比平原增大百分比变化曲线

在对数平均温差增大和传热系数降低的综合影响下，发动机水散热器、转向油散热器及传动油散热器的散热能力随着海拔高度的升高而降低，如图8所示.散热器散热能力的降低导致系统达到热平衡状态时液侧的热平衡温度升高.仿真结果表明，对于该并联散热结构而言，高原情况下(1000～4500 m)，由于油散的设计裕度较大，转向油和传动油的散热均可以满足设计要求，在海拔高度4500 m情况下，转向油温为113°C(比平原升高了4°C)，低于设计要求115°C，如图9所示;传动油温为133°C(比平原升高了10°C)，低于设计要求135°C，如图10所示.但是水系中，发动机出口温度随着海拔的升高而升高，超出了发动机的散热设计约束110°C，并且变化为非线性的.在3000 m以下时，温度升高较为缓慢，3000以上情况下，温度随海拔高度的升高而急剧升高，如图11所示.

图8 不同海拔高度下散热器散热能力比平原降低百分比变化曲线

图9 不同海拔高度下转向油温变化曲线

图10 不同海拔高度下传动油温变化曲线

图11 不同海拔高度下发动机出口水温变化曲线

变参数仿真中，通过假设发动机降功率运行热负荷降低和假设风扇体积流量可调性增大两种方式来降低系统热平衡温度，使其满足设计要求.变发动机散热量仿真结果表明，在3000～4500 m高原情况下，为了满足系统的散热需求，发动机散热量分别需要降低为平原的88%～94%，具体对比关系如图12所示.变风扇体积流量仿真结果表明，在3000～4500 m高原情况下，为了满足系统的散热需求，风扇的体积流量需要比调速前增加7.5%～15.2%，对比关系如图13所示.

图12 不同海拔高度下发动机热负荷改变前后出口水温变化曲线

图13 不同海拔高度下风扇体积流量改变前后发动机出口水温变化曲线

4 结论

1)以某型特种车辆冷却系统为研究对象，分析了高原环境下冷却系统散热性能的影响因素.在理论分析的基础上，根据冷却方案通过试验数据和数学模型相结合的方法在GT平台下建立了一维冷却系统仿真模型.平原情况下，该模型对冷却系统的流量、温度和压力模拟与实际相符合，验证了采用GT一维仿真的有效性和可行性.

2)通过参数化仿真，定量分析了高原环境下各参数对冷却系统性能的影响关系.综合各参数(散热器对数平均温差、传热系数以及风扇冷却风量)变化对冷却系统的影响，研究冷却系统不同海拔高度下的适应能力.研究结果表明:对于该并联散热结构，发动机水散热器、转向油散热器及传动油散热器的散热能力均随着海拔高度的升高而下降.由于油散的设计裕度较大，在高原情况下仍可以满足油路的散热需求，但是水系的热平衡温度在高原情况下超出了发动机的散热约束，导致发动机过热.针对这一情况，通过变参数仿真定量研究了发动机热负荷降低和风扇体积流量可调性增加两种途径解决发动机过热问题.变参数仿真结果表明:在3000～4500 m高原情况下，为了满足系统的散热需求，发动机散热量分别需要降低为平原的88%～94%;或者在发动机热负荷不变的情况下，风扇体积流量需要比调速前增加7.5%～15.2%.

［1］孙 崎，张云飞.工程机械用柴油机高原运行性能的研究 ［J］.内燃机工程，2001，22(2):34-39.

［2］姚仲鹏，王新国.车辆冷却传热 ［M］.北京:北京理工大学出版社，2001.

［3］杨世铭，陶文铨.传热学 ［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［4］Kays W M，London A.紧凑式换热器 ［M］.赵镇南，译.北京:科学出版社，1997.

［5］Chang Y J，Wang C C.A generalized heat transfer correlation for louver fin geometry［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1997，40(3):533-544.

［6］Dong Junqi，Chen Jiangping，Chen Zhijiu，et al.Heat transfer and pressure drop correlations for the wavy fin and flat tube heat exchangers［J］.Applied Thermal Engineering，2007，27(8):2066-2073.

［7］Gamma Technologies.GT-COOL USER’S MANUAL［M］.6.2版.2006.