車輛高低溫雙循環散熱系統高原環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?王國柱

摘 要 針對車輛高低溫雙循環散熱系統，高原環境參數的變化對系統既有有利的影響也有不利的影響的特點以及目前缺乏系統性研究的現狀，開展高低溫雙循環散熱系統高原環境系統性能分析及仿真研究。通過試驗數據和數學公式相結合的建模方法在整車性能仿真軟件GT SUITE平臺下搭建散熱系統性能仿真模型，定量研究了散熱系統散熱影響因素隨海拔高度的變化關系。系統仿真結果表明：對于高低溫雙層散熱結構，在海拔高度較小（低于3000m）情況下，環境溫度的降低相較于大氣密度的降低對散熱系統的性能影響是關鍵因素;當海拔高度升到3000m以上時，大氣密度的降低相較于環境溫度的降低對散熱系統的性能影響是關鍵因素。

關鍵詞 散熱系統;高低溫雙循環;高原環境;性能仿真

引言

在高原環境中，隨著海拔高度的增加，大氣壓力、空氣密度、含氧量、氣溫和水的沸點均呈下降趨勢，對于車輛而言，柴油機氣缸內充氣量減少，過量空氣系數下降，可燃混合氣過濃，燃燒狀況惡化，后燃現象嚴重，動力性和經濟性下降，熱負荷增加，熱量分配相比平原地區有較大的變化。

國內和國外在二十世紀末就開始了發動機的高原適應性研究，主要針對發動機在高原環境時，增壓發動機功率下降進行研究，對于高原恢復發動機功率技術，國外采用可變幾何渦輪增壓器、帶放氣閥的增壓器等措施對于在高原地區發動機的功率恢復具有良好的效果。我國各大高校以及研究研所等單位對于高原功率恢復的問題也開展了一系列研究[1-2]，取得了一定的科研成果。我國現有的特種車輛散熱系統設計主要針對在平原地區的發動機最大功率點、最大負荷點進行計算和校核，國外開展的相關研究大都是3000m以下，針對4000m以上高原環境的車輛散熱研究很少，尤其針對高低溫雙循環散熱系統，高原環境參數的變化對系統既有有利的影響也有不利的影響，缺乏系統性的定量研究來驗證高原環境對散熱系統性能的影響。

因此本文開展了高原環境下，隨著海拔高度的增加高低溫雙循環散熱系統性能變化的定量研究。本文以某特種車輛高低溫雙循環散熱系統為研究對象，開展高原環境對高低溫雙循環散熱系統性能的影響研究。在進行定性理論分析的前提下，根據高低溫雙循環散熱系統方案在整車性能分析軟件GT SUITE平臺下搭建散熱系統性能仿真模型，進而開展車輛高原環境散熱系統性能仿真研究。

1 散熱系統傳熱性能分析

1.1 散熱系統方案

根據該特種車輛熱源部件的工作需求，散熱系統水路采用單泵雙循環高低溫回路冷卻方案，油路中傳動油采用油空、油水二級散熱方案。其中，高溫回路包括發動機和發動機油冷器;低溫回路包括水空中冷器、傳動油冷器和分動箱油冷器。氣路由一個混流排風扇驅動循環，最終熱量經由散熱器模塊散到外界環境中，具體散熱系統原理圖如圖1所示。

1.2 高原環境大氣熱力學參數對散熱系統冷卻能力的影響

散熱系統中采用板翅式緊湊散熱器，并采用混流排風扇強制冷卻方式。

散熱器內部冷流（空氣）和熱流（冷卻液）的冷卻傳熱可采用公式（1）～（3）進行計算[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側光表面之間的換熱系數和外側冷流體與肋表面之間的換熱系數;和分別為肋的厚度及其導熱系數;為肋化系數;為肋總效率。

綜上可得高原環境對于散熱系統的影響主要表現在以下幾個方面[4]：

（1）海拔高度對對數平均溫差的影響。隨著海拔高度的升高，環境溫度即散熱器冷側入口溫度降低使得散熱器的對數平均溫差升高，有利于提高散熱器的散熱量。

（2）海拔高度對冷卻排風扇散熱能力的影響。隨著海拔高度的升高，環境壓力降低使得大氣密度降低，在假設體積流量不變的情況下風扇質量流量隨密度降低而降低，導致散熱系統氣側所能帶走的熱量減少。

（3）海拔高度對散熱器自身傳熱系數的影響。散熱器的散熱能力主要取決于傳熱系數，而、、和等參數由散熱器結構決定，與大氣熱力學參數無關;熱側流體在管內流動，因此熱側的對流換熱系數也與大氣狀態無關，所以影響傳熱系數的主要因素是大氣側即冷側換熱系數的變化。

其中，與海拔高度無關，、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，從而使得換熱系數隨海拔高度的升高而顯著減小，因而散熱器的傳熱系數隨海拔高度的升高而減小。

綜合以上定性分析，高原情況下，散熱系統散熱能力的變化需要綜合考慮上述因素，具體評價其散熱能力的升高或下降需要定量的研究各個因素對系統的綜合影響，因此本次研究中基于GT平臺下的車輛熱管理模塊，搭建整車散熱系統模型，通過仿真對高原環境下散熱系統的散熱能力的變化進行定量的研究。

2 散熱系統仿真模型

根據系統方案，在GT平臺下搭建某特種車輛散熱系統仿真模型，具體如圖2所示。通過該仿真模型綜合匹配水側和氣側的壓力和流量分配，研究系統傳熱過程中及達到熱平衡后的綜合散熱情況。

2.1 外界環境模型

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

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壓力;g為重力加速度;R為氣體常數。

2.2 水泵模型

散熱系統中水路采用一泵雙循環方案，水泵由發動機機械驅動。仿真中采用試驗建模法建立水泵模型，GT環境對輸入的水泵特性數據進行相應的擬合處理，具體如圖3所示。

2.3 風扇模型

散熱系統采用單一混流式排風扇，同樣應用試驗建模法建立風扇仿真模型。仿真進行前，GT環境會對輸入的風扇特性數據進行相應的擬合處理，具體如圖4所示。該方法建立的風扇模型重點放在風扇的輸入、輸出特性上，而略去其內部復雜的物理過程，該建模方法的優點是其適用于所有類型的風扇。

2.4 散熱器模型

仿真中散熱器通過HxMaster和HxSlave模塊進行建模。該模型可以應用于平行流、對流以及交叉流散熱器。當HxMaster模塊和HxSlave模塊配對連接完成后，可針對不同流體和散熱器結構參數進行傳熱計算，具體如公式（11）和（12）所示[7]。

其中，為壁面溫度;為散熱量;h為對流換熱系數;A為換熱面積;為流體和壁面間的對數平均溫差;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相應的努塞爾數關聯式定義的對流換熱系數來計算：

其中，U為流體流速;L為參考長度;k為流體導熱系數;為流體密度;為流體的動力黏度;為流體比熱容;m為無因次常數。

3 仿真結果分析

根據上文所建立的仿真模型，研究不同海拔高度（0～4500m）情況下散熱系統散熱影響因素的變化關系，具體仿真結果如圖5～圖8所示。仿真過程中建立以下兩個假設：①通過優化匹配或進氣補償等手段使得發動機在高原工況下不降功率運行，發動機散熱量保持不變;②當達到熱平衡狀態后，風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、壓力及外界環境溫度的變化曲線。環境溫度隨海拔高度的升高而降低，從而使得散熱器氣側入口溫度降低，導致對數平均溫差有增大趨勢;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對流換熱系數降低，導致散熱器的傳熱系數降低，海拔1000m～4500m情況下，散熱器的傳熱系數比平原情況下降低了約9.6%～39.1%左右。同時，由于假設熱平衡狀態下風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，因而氣側風扇提供的質量流量隨海拔高度的升高而降低，具體如圖6所示。風扇質量流量的降低導致氣側冷卻溫差增大，從而影響散熱器的對數平均溫差。在冷熱側出入口溫度的綜合作用下，海拔1000m～4500變化過程中，高、低溫散熱器的對數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%。高低溫散熱對數平均溫差及氣側換熱系數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。

通過系統仿真綜合研究散熱器對數平均溫差和傳熱系數等因素對散熱系統的影響。仿真結果表明，對于高低溫雙層散熱結構，在海拔高度較低（低于3000m）的情況下，外界環境溫度對散熱系統的有利影響可以抵消大氣密度降低對散熱系統造成的散熱能力降低，散熱系統可以滿足整車的散熱需求。當海拔高度升到3000m以上時，大氣密度降低對散熱系統散熱能力的影響占主要地位，該情況下風扇質量流量和散熱器傳熱系數的降低，使得氣側的散熱能力不足，導致系統達到熱平衡狀態時發動機過熱，具體如圖8所示。該問題需要通過提高風扇轉速加大冷卻風量或更換大散熱裕度散熱器兩種途徑來解決。

4 結束語

（1）以某特種車輛散熱系統為研究對象，分析了高原環境下散熱系統散熱性能的影響因素，在理論分析的基礎上，根據冷卻方案通過試驗數據和數學模型相結合的方法在GT平臺下建立了一維散熱系統仿真模型。該模型對散熱系統的流量、溫度和壓力模擬與實際相符合，驗證了采用GT一維仿真的有效性和可行性。

（2）通過參數化仿真，定量分析了高原環境下各參數對散熱系統性能的影響因素。綜合各參數（散熱器對數平均溫差和傳熱系數等）變化對散熱系統的影響，研究散熱系統不同海拔高度下的適應能力。研究結果表明：對于高低溫雙層散熱結構，在海拔高度較低（低于3000m）情況下，環境溫度的降低相較于大氣密度的降低對散熱系統的性能影響是關鍵因素，散熱系統可以滿足整車的散熱需求;當海拔高度升到3000m以上時，大氣密度的降低相較于環境溫度的降低對散熱系統的性能影響是關鍵因素，該情況下會導致發動機過熱，需要采用提高風扇轉速加大冷卻風量或更換大散熱裕度散熱器兩種途徑來提高散熱系統的散熱能力。

參考文獻

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作者簡介

孫曉霞（1983-），女;學歷：博士學位，研究員，現就職單位：中國北方車輛研究所，研究方向：車輛熱管理。