基于DOE的高原环境下车辆散热系统研究

孙晓霞　邵春鸣　牛丹华　高佳瑜　杨立宁　王国柱

【摘 要】以某型特种车辆散热系统为研究对象，分析高原环境车辆散热系统性能影响因素。在理论分析的基础上提出相应的系统改进方案，建立GT一维仿真模型，应用试验设计方法（DOE，design of experiment）在设计空间中均匀采样，进而对高原环境散热系统性能进行多目标优化计算，建立基于DOE多目标优化的散热系统MAP控制策略和神经网络控制策略模型。研究结果表明，以上两种控制策略均能满足车辆各工况下使用需求，降低系统功耗，并且基于DOE多目标优化的神经网络控制策略在降低系统耗功和温控效果方面更有优势。

【关键词】DOE;多目标优化;高原;神经网络

中图分类号： U464 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）30-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.001

散热系统是保障车辆正常稳定运行的重要辅助系统之一，需满足车辆在各种工况下运行的散热需求。散热系统的优劣程度直接影響到车辆的热安全。高原环境下，大气参数发生巨大改变，严重影响车辆发动机的工作状态和散热系统的散热性能，为同时满足车辆平原以及高原等工况的使用需求，需要合理设计散热系统结构，应用高效的散热系统控制策略，避免车辆运行过程中出现过冷或过热问题，保证整车系统的高效工作。

本文以某型特种车辆散热系统为研究对象，分析高原环境车辆散热系统性能影响因素。在理论分析的基础上提出相应的系统改进方案，进而建立GT一维仿真模型，应用试验设计（design of experiment，简称DOE）方法，对高原环境散热系统性能进行多目标优化计算，开展基于DOE多目标优化的散热系统MAP控制策略和神经网络控制策略研究。

1 高原环境大气热力学参数对散热系统散热能力的影响

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[1]：

Q■=m■c■（T■■-T■■）Q■=m■c■（T■■-T■■）Q■=Q■=Q■（1）

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■■和T■■分别为空气入口和出口温度;T■■和T■■分别为冷却液入口和出口温度。

Qr=KrArΔTmΔTm=■（2）

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：

Kr=[β/hh+（δ/λ）β+1/（ηhc）]-1（3）

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散热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[2]。努塞尔数的定义式为：

Nu=hcde/λ（4）

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：

Nu=RePr1/3j（5）

式中，Re为雷诺数;Pr为普朗特数。综合公式（4）和（5）可得：

hc=RePr1/3jλ/de（6）

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[3-5]。

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：

hc=CRenλ/de（7）

式中：C和n为无因次常数。

雷诺数的定义式为：

Re=pul/μ（8）

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

hc=C（λunμ-nd■■e）ρn（9）

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。

2 散热系统方案研究

2.1 原车散热系统方案

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。气路由一个直径为620mm的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，具体散热系统原理如图1所示。

图1 散热系统原理图

2.2 散热系统改进方案

针对该特种车辆现有散热系统不能满足高原环境车辆正常运行的现状，结合上述高原环境大气热力学参数对散热系统散热能力影响的理论分析，以高原4500m，环境温度20℃为设计点，提出散热系统改进设计方案。方案中主要采取以下两个措施来提高系统的高原散热能力。

（1）改进方案中将原系统中的Ф620冷却风扇替换为Ф640冷却风扇，风扇额定工况下的工作转速由原来的4800rpm提升为5000rpm。该措施能够提升系统风量12%。

（2）通过散热器结构改进，去掉散热器框架，增加散热器的有效散热面积，该措施将高低温水散的散热能力提升了29%。

（3）为避免低速大扭矩工况下发动机转速下降对水泵流量的影响，系统采用电动水泵;为了满足不同行驶工况下系统风量的精确调控，系统采用能够无级调速的电动风扇。

散热系统方案改进后系统散热能力大幅提高，为避免车辆平原工况出现过度冷却的情况，亟须建立高效的散热系统控制策略，保证车辆平原以及高原工况下的高效工作。

3 基于DOE的高原環境散热系统控制策略建模仿真研究

根据改进后系统方案，在GT平台下建立如图2所示的车辆散热系统一维仿真模型。高原工况下由于环境压力和大气密度的大幅下降，导致散热器换热能力下降，尤其在最大扭矩点时，一方面系统散热量大，另一方面受发动机低转速影响水泵的转速小，流量低，严重影响系统的散热能力，因此控制策略仿真研究中将水泵换为能够调速的电动水泵，将风扇换为能够调速的电动风扇。在不同使用工况下，随外界环境温度和海拔高度的变化调节水泵流量和风扇转速，满足不同行驶工况下车辆的散热需求。

图2 散热系统一维GT仿真模型

控制策略研究过程中，首先应用DOE方法获得不同海拔高度和环境温度情况下，以散热系统最小功耗和目标温度控制的为目标的最优风扇转速和最优水泵转速。在执行DOE过程中，为了实现设计空间的均匀采样，采用拉丁超立方采样方法，该方法可使试验点具有很好的空间填充性和均衡性[6]。图3所示为基于海拔高度和外界环境温度的DOE工况设计。根据DOE多目标优化结果建立基于MAP图的控制模型和神经网络自学习控制模型，实现不同海拔高度和环境温度下风扇和水泵的优化控制。图4所示为基于DOE多目标优化的MAP图控制模型，图5所示为基于DOE多目标优化的神经网络控制模型。最后建立如图6所示的时间与海拔高度和环境温度相关的设计工况，研究基于DOE多目标优化的神经网络控制模型的有效性。

4 仿真结果分析

通过散热系统仿真可得，应用散热控制策略前，平原工况下外界环境温度40℃时应用改进后的散热系统，风扇转速5000rpm，额定工况下发动机出口水温为100℃;高原4500m环境温度20℃工况下应用改进后的散热系统，风扇转速5000rpm，额定工况下发动机出口水温在外界时为105℃。仿真结果表明，改进后的散热系统能够满足车辆高原工况的使用要求，但其在平原地区使用时散热裕度过大。

图3 基于海拔高度和外界环境温度的DOE工况设计

图4 基于DOE多目标优化的MAP图控制模型

图5 基于DOE多目标优化的神经网络控制模型

基于设计工况，进行不同散热控制策略仿真研究。仿真结果表明，应用两种控制策略后，改进后的散热系统均能够很好地满足车辆高原工况的使用要求，采用风扇MAP控制策略后风扇耗功比风扇额定转速运行情况下耗功减少约25.4%;采用风扇Neural控制后风扇耗功比风扇额定转速运行情况下耗功减少约25.9%，并且温控效果更好。具体的设计工况下应用不同控制策略的风扇转速变化曲线和发动机出水温度变化曲线如图7所示。

图6 控制模型校验设计工况

图7 设计工况不同风扇转速下发动机出口水温变化

5 结论

（1）建立的基于DOE多目标优化的散热系统MAP控制策略和神经网络控制策略均能满足车辆平原以及高原工况的使用需求，应用上述两种控制策略后散热系统耗功显著下降。同时，基于DOE多目标优化的神经网络控制策略在降低系统耗功和温控效果方面具有更为明显的优势。

（2）建立系统仿真模型，应用试验设计方法（DOE，design of experiment）在设计空间中均匀采样，进而对高原环境散热系统性能进行多目标优化计算，进而开展散热系统控制策略研究是一种高效快捷的散热系统控制策略设计方法。

【参考文献】

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

[2]汉杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社， 2006.

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

[4]汉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.

[5]汉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.

[6]Ye K Q， Li W， Sudjianto A. Algorithmic construction of optimal symmetric Latin hypercube designs[J].Journal of Statistical Planning and Inference，2000，90（1）：145-159.