對車輛熱特征分析與熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、第23卷第3期南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.23No.31999年6月JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnologyJun.1999車輛熱特征分析與熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)1宣益民王玉林(南京理工大學(xué)動力工程學(xué)院,南京210094)(1兵器科學(xué)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(xiàn)的基礎(chǔ)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(jìn)展、車輛空調(diào)裝置設(shè)計(jì)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(jìn)展。關(guān)鍵詞車輛,冷卻系統(tǒng),空氣調(diào)節(jié)設(shè)備;熱特征分析分類號U270.9,TK05,TU831.4車輛處

2、于復(fù)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(dǎo)熱等存在于車輛的工作過程之中。為了保證發(fā)動機(jī)正常工作和車輛的正常行駛,車輛必須配置相應(yīng)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(fēng)扇和傳熱工質(zhì)組Fig.1SchemeofthermalandairOconditioning成。為了給駕乘人員營造一個(gè)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(yīng)當(dāng)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(jī)、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(冷)

3、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(jī)、散熱器、冷卻空氣通道、冷卻劑通道、溫控裝置、泵、通風(fēng)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(shè)備和布置可能作相應(yīng)的變化。車輛熱(冷)系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)依賴于人們對車輛熱負(fù)荷及其分布的認(rèn)識。針對給定的車型和發(fā)動機(jī)功率以及相應(yīng)的車體結(jié)構(gòu),建立車輛熱(冷)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,定量分析車輛熱特征和熱負(fù)荷是車輛熱(冷)系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提;試驗(yàn)測試則是評價(jià)熱(冷)系統(tǒng)性能、改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最直接途徑。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測試技術(shù)的發(fā)展,人們從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方收稿日期:1998-10-12宣益民男43歲教

4、授總第105期宣益民王玉林車輛熱特征分析與熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)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(jī)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(fù)荷,對于車輛空[4,5]調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和公路交通監(jiān)測模擬系統(tǒng)的研制具有明顯的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。特種[6]車輛熱特征分析更具有重要的軍事應(yīng)用前景。從熱特征分析角度看,車輛是個(gè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的三維體系。文獻(xiàn)[5,6]綜合考慮車輛運(yùn)動狀況、自然

5、氣象條件(如天氣、風(fēng)速、風(fēng)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(fù)雜,其瞬態(tài)熱傳導(dǎo)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(dǎo)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,cp,f為

6、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(gè)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(yīng)的流體比定壓熱容和溫度。方程(2)是計(jì)算車輛熱負(fù)荷和空調(diào)裝置設(shè)計(jì)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(yùn)行狀況和行駛環(huán)境確定了相應(yīng)的邊界條件和初始條件之后,可運(yùn)用數(shù)值計(jì)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)車輛表面的輻射特

7、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(shè)計(jì)車輛冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)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(fēng)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(yùn)行特征。顯然,車輛冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵是[9]建立準(zhǔn)確合適的模型以預(yù)測