車輛熱特征分析與熱系統(tǒng)設計

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1、第23卷第3期南京理工大學學報Vol.23No.31999年6月JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnologyJun.1999車輛熱特征分析與熱系統(tǒng)設計1宣益民王玉林(南京理工大學動力工程學院,南京210094)(1兵器科學研究院,北京100081)摘要車輛冷卻和空調(diào)系統(tǒng)是車輛的重要部件。在綜合分析大量文獻的基礎上,該文介紹了有關(guān)車輛熱特征分析和熱(冷)系統(tǒng)方面的研究進展、車輛空調(diào)裝置設計的新方法、車輛用熱交換器新工藝以及相關(guān)領(lǐng)域的研究進展。關(guān)鍵詞車輛,冷卻系統(tǒng),空氣調(diào)節(jié)設備;熱特征分析分類號U270.9,TK05,TU831.4車輛

2、處于復雜的能量交換體系之中。太陽的輻射傳熱、環(huán)境的對流傳熱、乘員的生理散熱、車載儀器儀表的散熱以及車輛各部件間的導熱等存在于車輛的工作過程之中。為了保證發(fā)動機正常工作和車輛的正常行駛,車輛必須配置相應的冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)一圖1車輛熱(冷)系統(tǒng)示意圖般由散熱器、風扇和傳熱工質(zhì)組Fig.1SchemeofthermalandairOconditioning成。為了給駕乘人員營造一個舒systemsforvehicles適的環(huán)境,使其在車輛行駛中發(fā)揮正常的工作效率,車輛應當配備空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。車輛空調(diào)系統(tǒng)大多由壓縮機、膨脹閥、蒸發(fā)器和冷凝器等部件組成。車輛冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)可統(tǒng)稱為車輛的熱(

3、冷)系統(tǒng)。圖1所示是一典型的車輛熱(冷)系統(tǒng)示意圖。顯然,影響車輛熱特征的主要部件包括發(fā)動機、散熱器、冷卻空氣通道、冷卻劑通道、溫控裝置、泵、通風格柵、空調(diào)冷凝器和蒸發(fā)器。根據(jù)不同的車型,圖1所示系統(tǒng)、設備和布置可能作相應的變化。車輛熱(冷)系統(tǒng)的最優(yōu)化設計依賴于人們對車輛熱負荷及其分布的認識。針對給定的車型和發(fā)動機功率以及相應的車體結(jié)構(gòu),建立車輛熱(冷)系統(tǒng)的數(shù)學模型,定量分析車輛熱特征和熱負荷是車輛熱(冷)系統(tǒng)最優(yōu)化設計的前提;試驗測試則是評價熱(冷)系統(tǒng)性能、改進系統(tǒng)設計的最直接途徑。隨著計算機技術(shù)和測試技術(shù)的發(fā)展,人們從理論和實驗兩個方收稿日期:1998-10-12宣益民男4

4、3歲教授總第105期宣益民王玉林車輛熱特征分析與熱系統(tǒng)設計283[1]面對車輛熱(冷)系統(tǒng)的研究日益深入。新原理、新技術(shù)和新材料的應用不斷完善了車輛[2,3]熱(冷)系統(tǒng),提高了車輛系統(tǒng)的性能和可靠性。1車輛熱特征分析發(fā)動機散熱、太陽輻射、空氣對流換熱、乘員散熱、儀器儀表散熱等因素影響著車輛的熱特征。建立描述車輛熱特征的能量方程組,定量分析車輛的溫度分布和熱負荷,對于車輛空[4,5]調(diào)系統(tǒng)的設計和公路交通監(jiān)測模擬系統(tǒng)的研制具有明顯的指導意義和應用價值。特種[6]車輛熱特征分析更具有重要的軍事應用前景。從熱特征分析角度看,車輛是個結(jié)構(gòu)相當復雜的三維體系。文獻[5,6]綜合考慮車輛運動狀

5、況、自然氣象條件(如天氣、風速、風向、氣溫、太陽輻射)和背景環(huán)境(天空、地表)等因素的影響,根據(jù)某型特種車輛的結(jié)構(gòu),建立了車輛熱特征理論模型及其紅外熱像理論模型。車輛熱特征理論模型主要包括車體、乘員艙、動力艙和車輪4部分。盡管車體結(jié)構(gòu)和形狀復雜,其瞬態(tài)熱傳導方程統(tǒng)一表述為5T(r,t)Qcp=y[KyT(r,t)](1)5t式中,Q為車體材料密度,cp為比定壓熱容,K為導熱系數(shù)。描述乘員艙內(nèi)氣體溫度變化的集總參數(shù)模型可寫成NMLdTfQfVfcp,f=EAihi(Ti,w-Tf)+EQj+Em?kcp,fkTk(2)dti=1j=1k=1式中,Qf為艙內(nèi)氣體密度,Vf為艙內(nèi)氣體體積,

6、cp,f為艙內(nèi)氣體比定壓熱容,Ai為艙內(nèi)表面i單元的換熱面積,hi為艙內(nèi)表面i單元的對流換熱系數(shù),Ti,w為艙內(nèi)表面i單元的表面溫度,N為艙內(nèi)表面單元總數(shù),Qj為艙內(nèi)第j個熱源(如空調(diào)裝置、人體生理散熱、儀表散熱等),M為艙內(nèi)熱源數(shù),m?k是流體流出的第k股流體質(zhì)量流量,cp,jk和Tk分別為相應的流體比定壓熱容和溫度。方程(2)是計算車輛熱負荷和空調(diào)裝置設計的基本方程之一。方程(1)、(2)和動力艙溫度模型以及車輪摩擦生熱模型的集合構(gòu)成車輛熱特征模型。在根據(jù)車輛運行狀況和行駛環(huán)境確定了相應的邊界條件和初始條件之后,可運用數(shù)值計算方法確定上述模型的解,從而給出車輛的溫度分布。依據(jù)車輛

7、表面的輻射特性,利用數(shù)值求[7]解所獲得的溫度分布,可以模擬生成在一定波長范圍內(nèi)的車輛紅外熱像。2車輛冷卻系統(tǒng)設計車輛冷卻系統(tǒng)設計的主要任務是:確定車輛內(nèi)部的熱源及其散熱量,確定中冷器、油冷器和水散熱器等熱交換器的結(jié)構(gòu)和尺寸,確定冷卻風扇的選型,確定冷卻工質(zhì)的類型和灌裝[8]量,確定冷卻系統(tǒng)相關(guān)部件的安裝位置,分析各種工況下車輛冷卻系統(tǒng)的運行特征。顯然,車輛冷卻系統(tǒng)設計的依據(jù)是關(guān)于車輛的能量和質(zhì)量傳遞關(guān)系。冷卻系統(tǒng)設計的關(guān)鍵是[9]建立準確合適的模型以預測