CN107742049B - 一种高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法，涉及车辆冷却技术领域。本发明提供了一种高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法，以平原工况和高原工况作为双设计点，综合高原海拔高度和外界环境温度条件，以三维复杂流场风侧仿真技术、一维/三维复杂系统多参数耦合仿真技术为基础，结合台架试验和实车试验，形成完备高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法，为新一代装甲车辆高原适应性设计和现役装甲车辆高原适应性改进提供了重要的理论基础。

Description

一种高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法
技术领域
本发明涉及车辆冷却技术领域，具体涉及一种高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法。
背景技术
在高原环境中，随着海拔高度的增加，大气压力、空气密度、含氧量、气温和水的沸点均呈下降趋势。柴油机气缸内充气量减少，过量空气系数下降，可燃混合气过浓，燃烧状况恶化，后燃现象严重，动力性和经济性下降，热负荷增加，排气温度升高，热量分配相比平原地区有较大的变化。
现有的装甲车辆散热系统设计，散热系统主要针对在平原地区的发动机最大功率点、最大负荷点进行计算和校核，没有考虑高原使用情况。国内外针对高原环境的技术研究主要围绕发动机的功率恢复技术展开，对于散热系统的高原环境适应性还未开展过系统性研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计了一种高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法，为新一代装甲车辆高原适应性设计和现役装甲车辆高原适应性改进提供理论基础。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法，包括以下步骤：
第一步、确定动力总成的热源特性作为散热系统的设计输入；
第二步、以平原工况为设计点进行散热系统方案设计；
第三步、以高原工况为设计点进行散热系统方案设计；
第四步、根据动力总成的热源特性，基于第三步设计的散热系统方案，设计基于多目标优化的散热系统控制策略；
第五步、根据第三步确定的散热系统方案，进行散热系统零部件设计；
第六步、进行散热系统零部件性能试验以及系统试验；
第七步、对第六步的计算结果进行修正；
第八步、进行实车试验，得到实车试验数据；
第九步，将仿真数据与实车试验数据进行对比，应用第四步得到的基于DOE方法的多目标优化控制策略，对散热系统进行改进。
优选地，第一步中，设计不同海拔高度、环境温度、发动机的不同功率恢复程度情况下发动机和传动部件的热源特性作为散热系统的设计输入。
优选地，第二步中，以平原工况为设计点进行散热系统的匹配和设计，匹配散热器换热面积、冷却液流量以及冷却风扇风量，在设计中，进行系统散热性能计算，冷、热侧阻力计算、系统风侧三维仿真计算、系统热侧一维仿真计算以及系统一维和三维耦合仿真计算，通过迭代计算，确定散热系统的方案。
优选地，第三步中，根据高原环境的大气环境特性参数变化，以高原工况为设计点进行散热系统的匹配和设计，匹配散热器换热面积、冷却液流量以及冷却风扇风量，在设计中，基于高原环境特性进行系统散热性能计算，冷、热侧阻力计算、系统风侧三维仿真计算、系统热侧一维仿真计算以及系统一维和三维耦合仿真计算，通过迭代计算，确定散热系统方案。
优选地，第四步中，基于匹配好的散热系统，根据不同海拔高度、环境温度情况下发动机和传动部件的热源特性，查表获得高原变海拔工况大气的物性参数，进行DOE仿真计算获得多参数冷热侧控制集，并使用神经网络自学习算法优化所述控制集，形成所述散热系统控制策略。
优选地，第五步中，根据第三步确定的散热系统方案，确定相应的包括冷却风扇以及膨胀水箱在内的部件工程设计方案，根据高原变海拔的调控要求设计冷却风扇；根据高原大气压力降低的特点，设计膨胀水箱的开启压力。
优选地，第六步中，具体是进行风扇性能试验、散热器单体及散热器总成试验、管路流量匹配试验、冷态风量测量试验以及热模拟情况下系统匹配试验。
优选地，第七步中，根据散热系统零部件及系统试验的试验数据，与仿真结果形成初步闭环，预测散热系统的整体性能，包括高原变海拔工况下发动机、传动箱部件的热平衡温度，系统冷侧各个模块的进出口温度、流量以及压力，系统热侧各个回路热源部件的进出口温度、流量以及压力。
优选地，第八步中，通过车辆实际跑车试验，采集在高温地区实车跑车数据以及在高原地区实车跑车数据，将采集的数据与第七步得到的结果进行进一步闭环。
优选地，第九步中，对散热系统进行改进的方式包括增大冷却风扇直径、提高冷却风扇转速以及进一步增大散热器传热面积。
(三)有益效果
本发明提供了一种高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法，以平原工况和高原工况作为双设计点，综合高原海拔高度和外界环境温度条件，以三维复杂流场风侧仿真技术、一维/三维复杂系统多参数耦合仿真技术为基础，结合台架试验和实车试验，形成完备高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法，为新一代装甲车辆高原适应性设计和现役装甲车辆高原适应性改进提供了重要的理论基础。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1为本发明的高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法的流程图，其设计步骤如下：
第一步确定某装甲车辆动力总成热源特性：动力总成的热源特性是散热系统设计的设计输入，设计初始研究不同海拔高度、环境温度情况下发动机和传动等部件的热源特性，发动机的热源特性海拔高度变化而变化，同时考虑该装甲车辆发动机高原4500m情况功率下降15％。
第二步以平原工况为设计点进行散热系统方案设计：以平原工况(海拔高度0m，环境温度40℃)为设计点进行散热系统的匹配和设计，匹配散热器换热面积、冷却液流量以及冷却风扇风量，在设计中，主要的计算包括系统散热性能计算，冷、热侧阻力计算、系统风侧三维仿真计算、系统热侧一维仿真计算以及系统一维/三维耦合仿真计算等。通过不断的迭代计算，确定散热系统总体方案。
第三步以高原工况为设计点进行散热系统方案设计：分析高原环境的大气环境特性参数变化，以高原工况(海拔高度4500m，环境温度20℃)为设计点进行散热系统的匹配和设计，匹配散热器换热面积、冷却液流量以及冷却风扇风量，在设计中，基于高原环境特性开展系统散热性能计算，冷、热侧阻力计算、系统风侧三维仿真计算、系统热侧一维仿真计算以及系统一维/三维耦合仿真计算等。通过不断的迭代计算，确定散热系统总体方案。
第四步开发基于多目标优化的散热系统控制策略：基于匹配好的散热系统，根据不同海拔高度、环境温度情况下发动机和传动等部件的热源特性，查表获得高原变海拔工况大气的物性参数，进行DOE仿真计算获得多参数冷-热侧控制集，应用神经网络自学习算法，优化控制集，形成散热系统控制策略。
第五步进行散热系统零部件设计：根据确定的散热系统总体方案，确定相应的散热器、冷却风扇以及膨胀水箱等零部件工程设计方案，根据高原变海拔的调控要求设计电动冷却风扇以及电动冷却水泵；根据高原大气压力降低的特点，设计膨胀液箱的开启压力。
第六步进行散热系统零部件及系统台架试验：进行散热系统零部件性能试验以及系统试验，包括风扇性能试验、散热器单体及散热器总成试验、管路流量匹配试验、冷态风量测量试验以及热模拟情况下散热系统匹配试验等。
第七步修正计算结果：根据散热系统零部件及系统试验的试验数据，与仿真结果形成初步闭环，预测散热系统的整体性能，包括高原散热特性，高原变海拔工况下发动机、传动箱等部件的热平衡温度，散热系统冷侧(风侧)各个模块的进出口温度、流量以及压力，散热系统热侧(冷却液侧)各个回路热源部件的进出口温度、流量以及压力等。
第八步进行实车试验：通过车辆实际跑车试验，采集在高温地区实车跑车数据以及在高原地区实车跑车数据，将该数据与仿真计算的结果进行闭环。
第九步散热系统改进：将仿真数据与实车试验数据进行对比，应用基于DOE方法的多目标优化控制策略，对散热系统进行改进，包括增大冷却风扇直径、提高冷却风扇转速以及进一步增大散热器传热面积，使得散热系统能够满足变海拔工况下恶劣环境带来的影响，使得散热系统能够可靠高效工作。
综上所述，本发明切实可行的提出一种高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法，以平原工况和高原工况作为双设计点，综合高原海拔高度和外界环境温度条件，以三维复杂流场风侧仿真技术、一维/三维复杂系统多参数耦合仿真技术为基础，结合台架试验和实车试验，形成完备高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法，为新一代装甲车辆高原适应性设计和现役装甲车辆高原适应性改进提供了重要的理论基础。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高原变海拔工况装甲车辆散热系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、确定动力总成的热源特性作为散热系统的设计输入；
第二步、以平原工况为设计点进行散热系统方案设计；
第三步、以高原工况为设计点进行散热系统方案设计；
第四步、根据动力总成的热源特性，基于第三步设计的散热系统方案，设计基于多目标优化的散热系统控制策略；
第五步、根据第三步确定的散热系统方案，进行散热系统零部件设计；
第六步、进行散热系统零部件性能试验以及系统试验；
第七步、对第六步的计算结果进行修正；
第八步、进行实车试验，得到实车试验数据；
第九步，将仿真数据与实车试验数据进行对比，应用第四步得到的基于DOE方法的多目标优化控制策略，对散热系统进行改进；
第二步中，以平原工况为设计点进行散热系统的匹配和设计，匹配散热器换热面积、冷却液流量以及冷却风扇风量，在设计中，进行系统散热性能计算，冷、热侧阻力计算、系统风侧三维仿真计算、系统热侧一维仿真计算以及系统一维和三维耦合仿真计算，通过迭代计算，确定散热系统的方案；
第三步中，根据高原环境的大气环境特性参数变化，以高原工况为设计点进行散热系统的匹配和设计，匹配散热器换热面积、冷却液流量以及冷却风扇风量，在设计中，基于高原环境特性进行系统散热性能计算，冷、热侧阻力计算、系统风侧三维仿真计算、系统热侧一维仿真计算以及系统一维和三维耦合仿真计算，通过迭代计算，确定散热系统方案；
第四步中，基于匹配好的散热系统，根据不同海拔高度、环境温度情况下发动机和传动部件的热源特性，查表获得高原变海拔工况大气的物性参数，进行DOE仿真计算获得多参数冷热侧控制集，并使用神经网络自学习算法优化所述控制集，形成所述散热系统控制策略。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步中，设计不同海拔高度、环境温度、发动机的不同功率恢复程度情况下发动机和传动部件的热源特性作为散热系统的设计输入。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第五步中，根据第三步确定的散热系统方案，确定相应的包括冷却风扇以及膨胀水箱在内的部件工程设计方案，根据高原变海拔的调控要求设计冷却风扇；根据高原大气压力降低的特点，设计膨胀水箱的开启压力。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第六步中，具体是进行风扇性能试验、散热器单体及散热器总成试验、管路流量匹配试验、冷态风量测量试验以及热模拟情况下系统匹配试验。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第七步中，根据散热系统零部件及系统试验的试验数据，与仿真结果形成初步闭环，预测散热系统的整体性能，包括高原变海拔工况下发动机、传动箱部件的热平衡温度，系统冷侧各个模块的进出口温度、流量以及压力，系统热侧各个回路热源部件的进出口温度、流量以及压力。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第八步中，通过车辆实际跑车试验，采集在高温地区实车跑车数据以及在高原地区实车跑车数据，将采集的数据与第七步得到的结果进行进一步闭环。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第九步中，对散热系统进行改进的方式包括增大冷却风扇直径、提高冷却风扇转速以及进一步增大散热器传热面积。
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