车辆热特征分析与热系统设计

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1、第23卷第3期南京理工大学学报Vol.23No.31999年6月JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnologyJun.1999车辆热特征分析与热系统设计¹宣益民王玉林(南京理工大学动力工程学院,南京210094)(¹兵器科学研究院,北京100081)摘要车辆冷却和空调系统是车辆的重要部件。在综合分析大量文献的基础上,该文介绍了有关车辆热特征分析和热(冷)系统方面的研究进展、车辆空调装置设计的新方法、车辆用热交换器新工艺以及相关领域的研究进展。关键词车辆,冷却系统,空气调节设备;热特征分析分类号U270.9,TK05,TU831.4车辆

2、处于复杂的能量交换体系之中。太阳的辐射传热、环境的对流传热、乘员的生理散热、车载仪器仪表的散热以及车辆各部件间的导热等存在于车辆的工作过程之中。为了保证发动机正常工作和车辆的正常行驶,车辆必须配置相应的冷却系统。冷却系统一图1车辆热(冷)系统示意图般由散热器、风扇和传热工质组Fig.1SchemeofthermalandairOconditioning成。为了给驾乘人员营造一个舒systemsforvehicles适的环境,使其在车辆行驶中发挥正常的工作效率,车辆应当配备空气调节系统。车辆空调系统大多由压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器等部件组成。车辆冷却系统和空调系统可统称为车辆的热(

3、冷)系统。图1所示是一典型的车辆热(冷)系统示意图。显然,影响车辆热特征的主要部件包括发动机、散热器、冷却空气通道、冷却剂通道、温控装置、泵、通风格栅、空调冷凝器和蒸发器。根据不同的车型,图1所示系统、设备和布置可能作相应的变化。车辆热(冷)系统的最优化设计依赖于人们对车辆热负荷及其分布的认识。针对给定的车型和发动机功率以及相应的车体结构,建立车辆热(冷)系统的数学模型,定量分析车辆热特征和热负荷是车辆热(冷)系统最优化设计的前提;试验测试则是评价热(冷)系统性能、改进系统设计的最直接途径。随着计算机技术和测试技术的发展,人们从理论和实验两个方收稿日期:1998-10-12宣益民男4

4、3岁教授总第105期宣益民王玉林车辆热特征分析与热系统设计283[1]面对车辆热(冷)系统的研究日益深入。新原理、新技术和新材料的应用不断完善了车辆[2,3]热(冷)系统,提高了车辆系统的性能和可靠性。1车辆热特征分析发动机散热、太阳辐射、空气对流换热、乘员散热、仪器仪表散热等因素影响着车辆的热特征。建立描述车辆热特征的能量方程组,定量分析车辆的温度分布和热负荷,对于车辆空[4,5]调系统的设计和公路交通监测模拟系统的研制具有明显的指导意义和应用价值。特种[6]车辆热特征分析更具有重要的军事应用前景。从热特征分析角度看,车辆是个结构相当复杂的三维体系。文献[5,6]综合考虑车辆运动状

5、况、自然气象条件(如天气、风速、风向、气温、太阳辐射)和背景环境(天空、地表)等因素的影响,根据某型特种车辆的结构,建立了车辆热特征理论模型及其红外热像理论模型。车辆热特征理论模型主要包括车体、乘员舱、动力舱和车轮4部分。尽管车体结构和形状复杂,其瞬态热传导方程统一表述为5T(r,t)Qcp=ý[KýT(r,t)](1)5t式中,Q为车体材料密度,cp为比定压热容,K为导热系数。描述乘员舱内气体温度变化的集总参数模型可写成NMLdTfQfVfcp,f=EAihi(Ti,w-Tf)+EQj+EmÛkcp,fkTk(2)dti=1j=1k=1式中,Qf为舱内气体密度,Vf为舱内气体体积,

6、cp,f为舱内气体比定压热容,Ai为舱内表面i单元的换热面积,hi为舱内表面i单元的对流换热系数,Ti,w为舱内表面i单元的表面温度,N为舱内表面单元总数,Qj为舱内第j个热源(如空调装置、人体生理散热、仪表散热等),M为舱内热源数,mÛk是流体流出的第k股流体质量流量,cp,jk和Tk分别为相应的流体比定压热容和温度。方程(2)是计算车辆热负荷和空调装置设计的基本方程之一。方程(1)、(2)和动力舱温度模型以及车轮摩擦生热模型的集合构成车辆热特征模型。在根据车辆运行状况和行驶环境确定了相应的边界条件和初始条件之后,可运用数值计算方法确定上述模型的解,从而给出车辆的温度分布。依据车辆

7、表面的辐射特性,利用数值求[7]解所获得的温度分布,可以模拟生成在一定波长范围内的车辆红外热像。2车辆冷却系统设计车辆冷却系统设计的主要任务是:确定车辆内部的热源及其散热量,确定中冷器、油冷器和水散热器等热交换器的结构和尺寸,确定冷却风扇的选型,确定冷却工质的类型和灌装[8]量,确定冷却系统相关部件的安装位置,分析各种工况下车辆冷却系统的运行特征。显然,车辆冷却系统设计的依据是关于车辆的能量和质量传递关系。冷却系统设计的关键是[9]建立准确合适的模型以预测