基于一三维耦合的装甲车辆冷却系统高原环境适应性研究

曹元福，刘建峰，石 军，赵春伟，张佳卉，周 丽，刘 洋

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

我国海拔高度2000 m以上的高原约占国土面积的1/3.不同海拔高度条件下大气的温度和压力等热力学参数见表1.随着海拔高度的上升，大气压力下降，空气密度逐渐减小，年平均气温下降.其中，海拔每升高1000 m，气压下降约10%左右，空气密度下降约6%～10%，年平均气温下降约5℃［1］.高原环境气压、气温和密度等的变化会引起车辆冷却系统性能下降，进而导致发动机过热、拉缸以至烧蚀等一系列问题，严重影响车辆的可靠性［2-4］.因此分析高海拔对车辆冷却系统性能的影响，对合理设计和改进车辆冷却系统，提高车辆的高原环境适应性具有重要的意义.

本研究针对高原工况下车辆冷却系统性能下降问题，以某车辆冷却系统为研究对象，采用一三维顺序耦合的计算方法，研究了高原环境对车辆冷却系统性能的影响规律.

表1 不同海拔高度条件下大气的温度和压力等热力学参数

1 冷却系统一三维耦合计算流程

首先建立车辆动力舱冷却系统几何模型，利用Fluent建立冷却系统三维CFD仿真模型，通过仿真计算得到不同海拔高度下流经散热器的冷却系统风量.然后采用顺序耦合的方法，将三维CFD仿真计算获得的冷却系统风量作为一维性能仿真模型的输入边界条件，通过GT-Power建立冷却系统的一维性能仿真模型，最终计算获得不同海拔高度下冷却系统的散热性能.见图1.

图1 冷却系统一三维耦合分析流程图

2 三维动力舱空气流动CFD仿真模型

该车辆冷却系统主要由进气百叶窗、散热器、风扇、排气百叶窗、风道等组成，系统采用混流式排风扇进行强制冷却，热量经由散热器散到外界环境中.利用三维软件建立该车辆动力舱冷却风道三维模型，见图2.

图2 动力舱冷却风道的几何模型

2.1 风扇模型

Fluent软件提供了两种风扇性能计算的方法:多重参考系法 (MRF)和滑动网格法 (Sliding Mesh)［5］.滑动网格法比多重参考系法更为准确，但它属于非稳态求解，占用大量的计算资源和计算时间.MRF方法是一种稳态算法，在这种算法中，风扇及其附近区域定义在旋转参考系下，其它区域则定义在静止参考系下，风扇相对于旋转参考系是静止的.MRF方法对计算资源占用较少，精度也能满足一般工程要求，因此采用MRF方法对风扇性能进行预测［6］.

2.2 散热器阻力模型

散热器采用多孔介质模型，其气体流动阻力特性按幂律指数形式处理［5］:

式中:C0、C1由试验数据拟合得到的常数.

将入口设定为压力入口边界条件;将出口设定为压力出口边界条件;风扇设定为旋转区域，其转速为5000 r/min.

3 一维冷却系统性能仿真模型

本次研究是基于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.

该车辆冷却系统水路包括发动机水套和发动机油冷器、水空中冷器、传动箱油冷器以及水散热器.具体冷却系统原理如图3所示.

政治权威也即政府的正当性通常被看作国家的一种道德权力，这种权力要求自己管辖下的人民遵守自己制定的法律，但是这种权力行使的前提就是要求政府必须具有正当性。政府正当性和公民不服从是相伴的现象，正统国家要求公民对自己制定法律予以服从，首先要证明自身的正当性，自身的证明从政府的角度而言，并不是单纯理论上的抽象，契约论、非契约论和规范度理论都不足以成为政府具体形态下的标准，传统政府的极端不公正或者压制性行为都对政府正当性产生重要影响。政府与公民的良性互动，有利于克服由路径依赖形成的经验主义和专政偏执主义带来的弊端，公民与政府的关系因为民主的实现而得到改观，两者的“理性距离”获得突破。

3.1 水泵模型

冷却系统水路中水泵由发动机驱动.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地拟合处理.

3.2 散热器传热模型

图3 冷却系统原理图

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(2)所示［7］.

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.

4 仿真结果及分析

4.1 高原环境大气热力学参数对系统风量的影响

图4为流经动力舱冷却系统的空气体积流量与质量流量随海拔高度的变化规律.在相同风扇转速下，动力舱中流经冷却系统的空气体积流量随海拔的升高略有下降，海拔每升高1000 m体积流量下降仅0.4%左右;因随海拔的升高空气密度明显变小，导致流经冷却系统的空气质量流量下降相当明显，其中海拔每升高1000 m空气质量流量下降约9.3%，且高原4500 m下的冷却系统空气质量流量仅为海拔0 m下的65%.

图4 冷却空气体积流量与质量流量随海拔高度变化

由于高原的大气压力和空气密度的降低，车辆冷却系统风侧空气质量流量随着海拔的升高逐渐下降，车辆冷却系统的散热能力变差，会导致车辆在高原行驶过程中会出现过热现象.因此在高海拔工况下必须充分考虑由于风侧空气质量流量降低对冷却系统带来的问题.

图5为风扇静压升和冷却系统风侧阻力随海拔高度的变化规律.随海拔高度的升高，风扇静压升和系统风侧阻力均呈现明显的下降趋势.在风扇转速一定的条件下，风扇叶片通道内的流动情况没有太大变化，性能下降主要由于高海拔气压低空气密度小引起的;不同海拔高度下冷却系统的空气体积流量基本不变，空气流速不变，由公式Δp＆ρv2看出高海拔下系统风侧阻力的下降也主要受空气密度降低影响.

图5 风扇静压头和系统风侧阻力随海拔高度变化

由于冷却系统对于散热量的计算多基于对冷却空气质量流量而来［8］，因此在高海拔工况下必须充分考虑由于风扇质量流量随密度降低带来的问题，冷却系统中风扇的选型设计需要同时参照风扇的质量流量-静压曲线进行，而不能只依靠原有标准状态下测得的风扇体积流量-静压曲线.

整个冷却风道系统总阻力是冷却空气流经进气百叶窗、散热器、风道和排气百叶窗的阻力总和.

图6为进气百叶窗、散热器、风道内和排气百叶窗等各部分空气阻力损失随海拔高度的变化结果对比.由图6可以看出:进气百叶窗阻力、风道阻力、排气百叶窗阻力等随海拔升高下降比较明显.

图7(a)为过风扇轴线截面的速度矢量图，该装甲车辆动力舱冷却系统使用混流风扇.风扇出口空气速度很高且直接撞击到排风筒蜗壳壁面上，因此造成了很大的阻力损失.图7(b)为过排气百叶窗的速度矢量图，因排气百叶窗的流通面积减小，流速较大，该处的阻力损失也比较大.结合图6和图7可以看出，在该装甲车辆动力舱车冷却系统中，在不同的海拔高度下蜗壳和排气百叶窗的阻力损失所占比重均较大，为了提升冷却系统的风量，可以通过优化风道、降低系统阻力的方法实现.

图6 冷却风道各部分阻力随海拔高度变化

图7 过风扇轴线截面的速度矢量图和过排气百叶窗的速度矢量图

4.2 高原环境大气热力学参数对散热能力的影响

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)的冷却传热可采用下式进行计算［9-10］:

式中:Qr为散热器的散热量;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.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.

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.

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的主要因素是气侧换热系数hc的变化［9-10］.

图8为散热器气侧换热系数随海拔高度的变化规律.位于海拔4500 m下的散热器气侧换热系数仅为平原下的70%.气侧换热系数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随海拔高度的升高也减小，最终导致散热量下降，冷却效果变差.

图8 气候换热系数随海拔高度变化

图9为冷却系统散热量随海拔高度变化规律.一方面随着海拔高度的升高空气密度下降，冷却系统风侧空气质量流量降低，散热器的传热系数下降，导致系统换热效果大大降低;但是另一方面随着海拔高度的升高环境温度降低，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.总体来看，随海拔的升高散热系统的性能下降.海拔在3000 m以下时，系统散热量下降不多;超过3000 m后，系统散热量剧烈下降，4500 m海拔下的散热量仅为平原下的82%左右.因此，在冷却系统设计时，为充分考虑高原环境导致冷却系统的高原环境适应性差的问题，需要开展降低发动机热负荷、强化冷却系统散热能力以及冷却系统智能化控制技术等研究.

图9 冷却系统散热量随海拔高度变化

5 结论

通过对变海拔环境下动力舱冷却系统的建模，获得了以下主要结论:

1)建立的车辆冷却系统模型可预测海拔高度变化对冷却系统性能的影响，同时可指导冷却系统高原改进的设计与匹配;

2)相同风扇转速条件下，风扇静压和系统总阻力损失随海拔高度的升高均呈明显下降趋势，流经冷却系统的空气质量流量下降相当明显，且位于高原4500 m下的冷却系统空气质量流量仅为海拔0 m下的65%，在高海拔工况下冷却系统中风扇的选型设计需要同时参照风扇的质量流量-静压曲线进行;

3)当海拔在3000 m以下时，冷却系统散热量下降不多;超过3000 m后，系统散热量剧烈下降，4500 m海拔下的散热量仅为平原下的82%左右.

［1］刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究 ［M］.北京:北京理工大学出版社，2013.

［2］汪茂海，陈 涛，张扬军，等.高原发动机热管理系统性能分析研究 ［J］.汽车工程，2010，32(7):592-595.

［3］许 翔，刘瑞林，刘 刚，等.大气压力对柴油机冷却系统热平衡影响的研究［J］.汽车工程，2012，34(3):41-47.

［4］王宪成，郭猛超，张 晶，等.高原环境重型车用柴油机热负荷性能分析 ［J］.内燃机工程，2012，33(1):49-53.

［5］Fluent 6.3 Help Manual［EB/CD］.2006.

［6］上官文斌，吴敏，王益有，等.发动机冷却风扇气动性能的计算方法 ［J］.汽车工程，2010，32(9):799-802.

［7］GT-Cool 6.2 User’s Manual［EB/CD］.2006.9.

［8］章慧锦，李仁业，等，译.车辆冷却系统设计［M］.北京:国防工业出版社，1984.

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

［10］杨世铭，陶文铨.传热学 ［M］.北京:高等教育出版社，2006.