车辆高低温双循环散热系统高原环境性能分析及仿真研究

孙晓霞?邵春鸣?宋俊杰?舒成龙?牛丹华?高佳瑜?王国柱

摘 要 针对车辆高低温双循环散热系统，高原环境参数的变化对系统既有有利的影响也有不利的影响的特点以及目前缺乏系统性研究的现状，开展高低温双循环散热系统高原环境系统性能分析及仿真研究。通过试验数据和数学公式相结合的建模方法在整车性能仿真软件GT SUITE平台下搭建散热系统性能仿真模型，定量研究了散热系统散热影响因素随海拔高度的变化关系。系统仿真结果表明：对于高低温双层散热结构，在海拔高度较小（低于3000m）情况下，环境温度的降低相较于大气密度的降低对散热系统的性能影响是关键因素;当海拔高度升到3000m以上时，大气密度的降低相较于环境温度的降低对散热系统的性能影响是关键因素。

关键词 散热系统;高低温双循环;高原环境;性能仿真

引言

在高原环境中，随着海拔高度的增加，大气压力、空气密度、含氧量、气温和水的沸点均呈下降趋势，对于车辆而言，柴油机气缸内充气量减少，过量空气系数下降，可燃混合气过浓，燃烧状况恶化，后燃现象严重，动力性和经济性下降，热负荷增加，热量分配相比平原地区有较大的变化。

国内和国外在二十世纪末就开始了发动机的高原适应性研究，主要针对发动机在高原环境时，增压发动机功率下降进行研究，对于高原恢复发动机功率技术，国外采用可变几何涡轮增压器、带放气阀的增压器等措施对于在高原地区发动机的功率恢复具有良好的效果。我国各大高校以及研究研所等单位对于高原功率恢复的问题也开展了一系列研究[1-2]，取得了一定的科研成果。我国现有的特种车辆散热系统设计主要针对在平原地区的发动机最大功率点、最大负荷点进行计算和校核，国外开展的相关研究大都是3000m以下，针对4000m以上高原环境的车辆散热研究很少，尤其针对高低温双循环散热系统，高原环境参数的变化对系统既有有利的影响也有不利的影响，缺乏系统性的定量研究来验证高原环境对散热系统性能的影响。

因此本文开展了高原环境下，随着海拔高度的增加高低温双循环散热系统性能变化的定量研究。本文以某特种车辆高低温双循环散热系统为研究对象，开展高原环境对高低温双循环散热系统性能的影响研究。在进行定性理论分析的前提下，根据高低温双循环散热系统方案在整车性能分析软件GT SUITE平台下搭建散热系统性能仿真模型，进而开展车辆高原环境散热系统性能仿真研究。

1 散热系统传热性能分析

1.1 散热系统方案

根据该特种车辆热源部件的工作需求，散热系统水路采用单泵双循环高低温回路冷却方案，油路中传动油采用油空、油水二级散热方案。其中，高温回路包括发动机和发动机油冷器;低温回路包括水空中冷器、传动油冷器和分动箱油冷器。气路由一个混流排风扇驱动循环，最终热量经由散热器模块散到外界环境中，具体散热系统原理图如图1所示。

1.2 高原环境大气热力学参数对散热系统冷却能力的影响

散热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[3]：

式中，、和分别为空气、冷却液和散热器的散热量;和分别为空气和冷却液的质量流量;和分别为空气和冷却液的比热容;和分别为空气入口和出口温度;和分别为冷却液入口和出口温度。

式中，和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;和分别为肋的厚度及其导热系数;为肋化系数;为肋总效率。

综上可得高原环境对于散热系统的影响主要表现在以下几个方面[4]：

（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，导致散热系统气侧所能带走的热量减少。

（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，而、、和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，所以影响传热系数的主要因素是大气侧即冷侧换热系数的变化。

其中，与海拔高度无关，、和随海拔高度的变化不大，只有空气密度随海拔高度的上升而明显减小，从而使得换热系数随海拔高度的升高而显著减小，因而散热器的传热系数随海拔高度的升高而减小。

综合以上定性分析，高原情况下，散热系统散热能力的变化需要综合考虑上述因素，具体评价其散热能力的升高或下降需要定量的研究各个因素对系统的综合影响，因此本次研究中基于GT平台下的车辆热管理模块，搭建整车散热系统模型，通过仿真对高原环境下散热系统的散热能力的变化进行定量的研究。

2 散熱系统仿真模型

根据系统方案，在GT平台下搭建某特种车辆散热系统仿真模型，具体如图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。

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。

式中，T为折算温度;T0为由特征温度决定的初始温度;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

散热系统中水路采用一泵双循环方案，水泵由发动机机械驱动。仿真中采用试验建模法建立水泵模型，GT环境对输入的水泵特性数据进行相应的拟合处理，具体如图3所示。

2.3 风扇模型

散热系统采用单一混流式排风扇，同样应用试验建模法建立风扇仿真模型。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4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。

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（11）和（12）所示[7]。

其中，为壁面温度;为散热量;h为对流换热系数;A为换热面积;为流体和壁面间的对数平均温差;为壁面材料的密度;为壁面材料的体积;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：

其中，U为流体流速;L为参考长度;k为流体导热系数;为流体密度;为流体的动力黏度;为流体比热容;m为无因次常数。

3 仿真结果分析

根据上文所建立的仿真模型，研究不同海拔高度（0～4500m）情况下散热系统散热影响因素的变化关系，具体仿真结果如图5～图8所示。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5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1000m～4500m情况下，散热器的传热系数比平原情况下降低了约9.6%～39.1%左右。同时，由于假设热平衡状态下风扇的体积流量不随海拔高度的变化而改变，而大气密度随海拔高度的升高而降低，因而气侧风扇提供的质量流量随海拔高度的升高而降低，具体如图6所示。风扇质量流量的降低导致气侧冷却温差增大，从而影响散热器的对数平均温差。在冷热侧出入口温度的综合作用下，海拔1000m～4500变化过程中，高、低温散热器的对数平均温差分别比平原情况下增加了约5.5%～44.6%和9.7%～72.1%。高低温散热对数平均温差及气侧换热系数比平原情况降低百分比随海拔高度的变化情况具体如图7所示。

通过系统仿真综合研究散热器对数平均温差和传热系数等因素对散热系统的影响。仿真结果表明，对于高低温双层散热结构，在海拔高度较低（低于3000m）的情况下，外界环境温度对散热系统的有利影响可以抵消大气密度降低对散热系统造成的散热能力降低，散热系统可以满足整车的散热需求。当海拔高度升到3000m以上时，大气密度降低对散热系统散热能力的影响占主要地位，该情况下风扇质量流量和散热器传热系数的降低，使得气侧的散热能力不足，导致系统达到热平衡状态时发动机过热，具体如图8所示。该问题需要通过提高风扇转速加大冷却风量或更换大散热裕度散热器两种途径来解决。

4 结束语

（1）以某特种车辆散热系统为研究对象，分析了高原环境下散热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平台下建立了一维散热系统仿真模型。该模型对散热系统的流量、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散热系统性能的影响因素。综合各参数（散热器对数平均温差和传热系数等）变化对散热系统的影响，研究散热系统不同海拔高度下的适应能力。研究结果表明：对于高低温双层散热结构，在海拔高度较低（低于3000m）情况下，环境温度的降低相较于大气密度的降低对散热系统的性能影响是关键因素，散热系统可以满足整车的散热需求;当海拔高度升到3000m以上时，大气密度的降低相较于环境温度的降低对散热系统的性能影响是关键因素，该情况下会导致发动机过热，需要采用提高风扇转速加大冷却风量或更换大散热裕度散热器两种途径来提高散热系统的散热能力。

参考文献

[1] 商海昆，董长龙，李萍，等.高原用柴油机双增压器匹配研究[J].内燃机工程，2017，（4）：115-120.

[2] 李政，王学智，刘浩.高原环境下LNG发动机进气压力控制的研究[J].工程机械，2014，（12）：34-38.

[3] 姚仲鹏，王新国.车辆冷却传热[M].北京：北京理工大学出版社，2001：202.

[4] 孙晓霞，邵春鸣，王国柱，等.高原车辆冷却系统参数化仿真研究[J].车辆与动力技术，2015，（1）：17-23.

[5] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006：53.

[6] Kays W M，London A.紧凑式换热器[M].北京：科学出版社，1997：109.

[7] 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.

[8] 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.

作者簡介

孙晓霞（1983-），女;学历：博士学位，研究员，现就职单位：中国北方车辆研究所，研究方向：车辆热管理。