CN114491826A

CN114491826A - 车辆散热性能的评估方法、系统及计算机可读存储介质

Info

Publication number: CN114491826A
Application number: CN202210401147.6A
Authority: CN
Inventors: 陈太荣; 石岩; 许佩佩; 王敏; 唐公明; 陈德博
Original assignee: Xuzhou Xugong Automobile Manufacturing Co ltd
Current assignee: Xuzhou Xugong Automobile Manufacturing Co ltd
Priority date: 2022-04-18
Filing date: 2022-04-18
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2042-04-18
Also published as: CN114491826B

Abstract

本发明涉及一种车辆散热性能的评估方法、系统及计算机可读存储介质，评估方法包括以下步骤：建立车辆整车模型；对整车模型进行CFD计算，获得整车模型中散热器的热风回流量；应用冷却系统一维匹配模型计算在散热器无热风回流的情况下，流出发动机的冷却液的第一冷却液温度，根据第一冷却液温度获得发动机正常使用的第一极限环境温度；应用冷却系统一维匹配模型计算在散热器有热风回流的情况下，流出发动机的冷却液的第二冷却液温度，根据第二冷却液温度获得发动机正常使用的第二极限环境温度；及根据第一极限环境温度和第二极限环境温度，确定热风回流对散热器散热性能的预计影响结果。本发明可有效评估热风回流量对车辆散热性能的影响。

Description

车辆散热性能的评估方法、系统及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及商用汽车设计技术领域，尤其涉及一种车辆散热性能的评估方法、系统及计算机可读存储介质。

背景技术

重卡在缓速上坡过程中，极易出现大扭矩点工况。该状态下，冷却风主要靠冷却风扇驱动，此时，重卡热平衡性能将经历最为严格的考验。由于冷却风扇旋转，护风圈内部腔体出现负压响应，外部的冷却气流被压力驱动经冷凝器、中冷器、散热器及它们之间的安装间隙进入护风圈腔体后，从风扇处流出至发动机舱内部，由于发动机舱内部结构紧凑，被冷凝器、中冷器、散热器等热部件加热后的空气正面撞击到发动机部件后，极易出现回流现象。已经吸收了散热部件热量的风再次回流到散热器时，散热器的散热效果将大打折扣，进而整车热平衡能力将会衰减。而性能衰减的严重程度将主要受热风回流量的影响。而目前，关于汽车发动机舱热风回流量的计算、测试资料极少，无法有效评估热风回流量对车辆散热性能的影响。

发明内容

本发明的一些实施例提出一种车辆散热性能的评估方法、系统及计算机可读存储介质，用于缓解热风回流量对车辆散热性能的影响无法被有效评估的问题。

在本发明的一个方面，提供一种车辆散热性能的评估方法，包括以下步骤：

建立车辆的整车模型；

对整车模型进行CFD计算，获得整车模型中的散热器的热风回流量；

应用冷却系统一维匹配模型计算在散热器无热风回流的情况下，流出车辆发动机的冷却液的第一冷却液温度，根据第一冷却液温度获得发动机正常使用的第一极限环境温度；

应用冷却系统一维匹配模型计算在散热器有热风回流的情况下，流出发动机的冷却液的第二冷却液温度，根据第二冷却液温度获得发动机正常使用的第二极限环境温度；以及

根据第一极限环境温度和第二极限环境温度，确定热风回流对散热器的散热性能的预计影响结果。

在一些实施例中，所述对整车模型进行CFD计算，获得整车模型中的散热器的热风回流量，包括：

将整车模型中的风扇旋转区域的气体进行标记，作为标记气体；

监测散热器的进风端面上通过标记气体的标记面积，根据标记面积及通过标记面积的标记气体的平均速度，计算热风回流量。

在一些实施例中，所述根据第一冷却液温度获得发动机正常使用的第一极限环境温度，包括：

根据公式：

，获得第一极限环境温度；其中，

为第一极限环境温度；

为发动机的限扭温度；

为第一冷却液温度；

为环境设置温度。

在一些实施例中，所述应用冷却系统一维匹配模型计算在散热器无热风回流的情况下，流出整车模型中的发动机的冷却液的第一冷却液温度，包括：

在冷却系统一维匹配模型中输入散热器在无热风回流情况下的常温进风温度，以用于计算第一冷却液温度。

在一些实施例中，所述常温进风温度等于环境设置温度。

在一些实施例中，所述根据第二冷却液温度获得发动机正常使用的第二极限环境温度，包括：

根据公式：

，获得第二极限环境温度；其中，

为第二极限环境温度；

为发动机的限扭温度；

为第二冷却液温度；

为环境设置温度。

在一些实施例中，所述应用冷却系统一维匹配模型计算在散热器有热风回流的情况下，流出发动机的冷却液的第二冷却液温度，包括：

在冷却系统一维匹配模型中输入散热器在有热风回流情况下的平均进风温度，以计算第二冷却液温度。

在一些实施例中，所述平均进风温度根据散热器的总进风量、散热器的热风回流量、热风温度和环境设定温度计算获得；其中，散热器的总进风量等于散热器的热风回流量和散热器的常温进风量之和，常温进风温度等于环境温度，散热器的总进风量通过对整车模型进行CFD计算获得。

在一些实施例中，所述热风温度根据公式

计算获得；其中，

为冷却液的散热量；

为空气定压比热容；

m为散热器的总进风量；

为热风温度；

为环境设置温度。

在一些实施例中，所述根据第一极限环境温度和第二极限环境温度，确定热风回流对散热器的散热性能的预计影响结果，包括：

根据第一极限环境温度和第二极限环境温度，确定热风回流对散热器的散热性能的预计影响结果

；其中，

，

为第一极限环境温度，

为第二极限环境温度。

在本发明的另一个方面，提供一种车辆散热性能的评估系统，包括存储器和处理器，所述处理器与所述存储器信号连接，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行上述的评估方法。

在本发明的另一个方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现上述的评估方法。

基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

在一些实施例中，通过建立车辆的整车模型，能够使得发动机舱内部气流可视化；通过对整车模型进行CFD计算，可在设计阶段得到热风回流量，且可评估热风回流对散热性能带来的影响，为设计提供有效的优化方案，缩短产品开发周期，降低产品改制及试验成本，充分保障产品热平衡性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明一些实施例提供的车辆的整车模型中热风回流的示意图；

图2是根据本发明一些实施例提供的散热器的外部阻力曲线的示意图。

应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。本发明可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本发明透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本发明的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本发明中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本发明使用的所有术语（包括技术术语或者科学术语）与本发明所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

图1是一些实施例提供的车辆的整车模型中热风回流的示意图。参考图1，在一些实施例中，车辆的整车模型10包括驾驶室1（可忽略后视镜、雨刮、门把手、导流罩等部件）、冷凝器2、中冷器3、散热器4、护风圈5、风扇6、发动机7、车架以及发动机舱内其他体积较大部件等。

图1中，虚线箭头表示常温进风，实线箭头表示热风回流。沿常温进风的气流方向，中冷器3位于冷凝器2的下游，散热器4位于中冷器3的下游，护风圈5位于散热器4的下游，风扇6位于护风圈5的下游，发动机7位于风扇6的下游。

由于风扇6旋转，护风圈5的内部腔体出现负压响应，外部的常温进风被压力驱动经冷凝器2、中冷器3、散热器4及它们之间的安装间隙进入护风圈5的腔体后，从风扇6处流出至发动机7的机舱内，由于机舱内部结构紧凑，被冷凝器2、中冷器3和散热器4等热部件加热后的气体正面撞击到发动机7部件后，极易出现回流现象，产生热风回流。热风回流流至散热器4时，散热器4的散热效果将大打折扣，进而整车热平衡能力将会衰减。而相关技术中没有有效评估热风回流量对车辆散热性能影响的方法。

基于此，本公开实施例提供一种车辆散热性能的评估方法、系统及计算机可读存储介质，用于缓解热风回流量对车辆散热性能的影响无法被有效评估的问题。

在一些实施例中，车辆散热性能的评估方法包括以下步骤：

建立车辆的整车模型；

对整车模型进行CFD（Computational Fluid Dynamic，计算流体力学）计算，获得整车模型中的散热器的热风回流量；

在散热器有热风回流的情况下，散热器的进风端面进入的气体除了常温进风，还包括热风回流，因此，散热器的总进风量等于常温进风量和热风回流量之和。

本公开实施例提供的车辆散热性能的评估方法，可以在车辆设计阶段就能较为精确计算出车辆在真实行驶条件下热风回流量及其产生的热害影响，确定热风回流对散热器的散热性能的预计影响结果，以用于评估热风回流对散热性能的影响，并能够据此进行相应的改善措施。例如：可以通过设置挡风件，阻挡热风回流进入散热器，或者设置导风件，引导热风远离散热器，或者对车辆的其他部件或结构进行改进等。

本公开实施例提供的车辆散热性能的评估方法，通过建立车辆的整车模型，能够使得发动机舱内部气流可视化；在设计阶段即可计算得到热风回流量，而目前即使在实车测试状态下也无法测得该物理量；且可评估热风回流对散热性能带来的影响，为设计提供有效的优化方案，且计算周期短，节省人力、物力成本；缩短产品开发周期，降低产品改制及试验成本，充分保障产品热平衡性能。

本公开实施例中的车辆包括但不限于重卡。

本公开实施例中的冷却系统一维匹配模型可以为车辆的冷却系统一维匹配模型或者为车辆发动机的冷却系统一维匹配模型，冷却系统一维匹配模型可通过建模软件建立。

本公开实施例中的车辆的整车模型可以包括驾驶室（可忽略后视镜、雨刮、门把手、导流罩等部件）、冷凝器、中冷器、散热器、护风圈、风扇、发动机、车架以及发动机舱内其他体积较大部件等。

本公开实施例提供的车辆散热性能的评估方法主要包括对热风回流量的计算，以及热风回流对于散热性能的影响计算。

在一些实施例中，对整车模型进行CFD计算，获得整车模型中的散热器的热风回流量，包括：

将整车模型中的风扇的旋转区域的气体进行标记，作为标记气体；

散热器的总进风量可以通过软件直接读取，而热风回流量的计算则需要在风扇的旋转区域设置多相流另一种气体，该气体具备和空气同等物理特性，可作为标记气体，标记为air_2，随着气体流动，标记气体air_2将会被换热、稀释，故需要监测散热器的进风端面上标记气体air_2占比不为0的面积大小，记为标记面积，根据标记面积及通过标记面积的标记气体的平均速度，可计算热风回流量。

在整车模型中，风扇靠近散热器的出风端面。

在一些实施例中，根据第一冷却液温度获得发动机正常使用的第一极限环境温度，包括：

根据公式：

，获得第一极限环境温度；其中，

为第一极限环境温度；

为发动机的限扭温度（发动机的配置参数）；

为第一冷却液温度；

为环境设置温度（根据评估需求自行设置）。

可选地，环境设置温度为41℃，但不限于此。

在一些实施例中，应用冷却系统一维匹配模型计算在散热器无热风回流的情况下，流出整车模型中的发动机的冷却液的第一冷却液温度，包括：

在一些实施例中，常温进风温度等于环境设置温度。环境设置温度可根据评估需求自行设置。

在一些实施例中，根据第二冷却液温度获得发动机正常使用的第二极限环境温度，包括：

根据公式：

，获得第二极限环境温度；其中，

为第二极限环境温度；

为发动机的限扭温度（发动机的配置参数）；

为第二冷却液温度；

为环境设置温度（根据评估需求自行设置）。

在一些实施例中，应用冷却系统一维匹配模型计算在散热器有热风回流的情况下，流出发动机的冷却液的第二冷却液温度，包括：

由于在散热器有热风回流的情况下，散热器进风端面进入的气体除了常温进风，还包括热风回流，因此，散热器的总进风量等于常温进风量和热风回流量之和。散热器的进风端面的进风温度为常温进风和热流回风的平均温度，也就是平均进风温度。

例如：在环境设置温度为41℃的情况下，常温进风的温度大约为41℃，由于存在热风回流，进入散热器的风的温度要高于环境温度41℃，因此，需要计算平均进风温度。

在一些实施例中，平均进风温度根据散热器的总进风量、散热器的热风回流量、热风温度和环境设定温度计算获得。

其中，散热器的总进风量等于散热器的热风回流量和散热器的常温进风量之和。

常温进风温度等于环境温度。

散热器的总进风量通过对整车模型进行CFD计算获得。

在一些实施例中，热风温度根据公式

计算获得；其中，

为冷却液的散热量（发动机扭矩点工况下水箱内冷却液的散热量，为发动机的配置参数）；

为空气定压比热容（可通过查询空气定压比热容的温度对照表获得）；

m为散热器的总进风量；

为热风温度；

为环境设置温度。

根据发动机扭矩点工况下水箱内冷却液的散热量Q、散热器的总进风量m、环境设置温度

，利用公式

可获得热风温度

。根据热风回流量、总进风量、热风温度、环境设置温度，可评估总进风量的平均进风温度。在冷却系统一维匹配模型中输入平均进风温度，能够计算获得第二冷却液温度。

在一些实施例中，根据第一极限环境温度和第二极限环境温度，确定热风回流对散热器的散热性能的预计影响结果，包括：

；其中，

，

为第一极限环境温度，

为第二极限环境温度。

本公开实施例通过CFD多相流技术，能够特定的标记并计算出热风回流量，并根据已知物理量求取回流热风的热风温度，通过热风温度、热风回流量、总进风量又可计算得到散热器的平均进风温度（热风回流状态），进而匹配计算出该状态下的散热性能，对比无热风回流的散热性能，即可得到热风回流对散热性能的影响。

下面详细描述车辆散热性能的评估方法的一具体实施例，其包括以下步骤：

S10：车辆的热风回流路径如图1所示，按图1所示搭建车辆的整车模型，其中，整车模型10包括驾驶室1、冷凝器2、中冷器3、散热器4、护风圈5、风扇6及发动机7等部件。

S20：对整车进行CFD计算，其中，车速设置为5km/h，风扇转速按照发动机性能试验数据设置为扭矩点转速。冷凝器、中冷器、散热器通过其阻力特性曲线输入到CFD的多孔介质模块中等效替代。其中散热器阻力特性曲线如图2所示。建立旋转坐标系，风扇旋转转速按实际设置1461.6rpm，一般为发动机扭矩点转速（1200rpm）与风扇速比（1.218）的乘积。物理模型中启用多相流模型，新增物理量air_2，用以标记热风，当散热气流由散热器流出，进入旋转风扇区域时，即被标记为air_2。监测量主要有：1）总进风量为4.19kg/s（进入散热器的风量）；2）散热器的进风端面常温进风与air_2的面积占比分布情况。由2）可获得出air_2进入的面积为0.062㎡以及该面积内的平均风速4m/s，面积与风速乘积即为体积流量0.248m³/s，该值即为热风回流量。

S30：按照无热风回流状态搭建冷却系统一维匹配模型，环境设置温度设置为41℃，调整经验参数，直至计算结果中散热器的进风量与步骤S20中监测的总进风量4.19kg/s一致为止，记录此时流出整车模型中的发动机的冷却液的第一冷却液温度为98℃，结合发动机的限扭温度108℃和环境设置温度41℃，据此推算出发动机正常使用的第一极限环境温度为51℃。

S40：按照存在热风回流状态搭建冷却系统一维匹配模型，其中环境温度需考虑热风回流所带来的温度波动。根据冷却液的散热量132kw、空气定压比热容1.003kJ/（kg*K）、总进风量4.19kg/s、常温进风温度41℃，根据公式

可计算

，

为散热器的出口温度约为72℃，也是热风温度。72℃的热风约为0.248m³/s，41℃的常温风约为3.73m³/s（总进风量4.19kg/s除以密度1.124kg/m³），可计算混合气体平均温度约为42.9℃，也就是平均进风温度为42.9℃。将平均进风温度42.9℃输入冷却系统一维匹配模型中，计算流出发动机的冷却液的第二冷却液温度约为100.2℃，结合发动机的限扭温度为108℃，环境设置温度还是41℃，据此推算出发动机正常使用的第二极限环境温度为48.8℃。

S50：根据第一极限环境温度51℃，第二极限环境温度48.8℃，确定热风回流对散热器的散热性能的预计影响结果为2.2℃，可得该热风回流将会带来2.2℃的散热性能影响。

本公开实施例提供的车辆散热性能的评估方法，可在设计初期计算得到热风回流量及其对散热性能的影响，据此评估该款车型热平衡性能是否达标，热风回流带来的负面效果是否严重制约散热效果等，并可以使用该方法对散热性能迭代优化，极大缩减车型开发时间，保障车辆散热性能。

一些实施例还提供了一种车辆散热性能的评估系统，其包括存储器和处理器，处理器与存储器信号连接，处理器被配置为基于存储在存储器中的指令，执行上述各实施例的车辆散热性能的评估方法。

上述车辆散热性能的评估方法的各实施例可以由车辆散热性能的评估系统中的处理器基于存储在存储器中的指令而执行。这里所描述的处理器可以包括通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本公开实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。

一些实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现上述各实施例的车辆散热性能的评估方法。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

综上各个实施例，本公开实施例提供的车辆散热性能的评估方法具有以下优点：

1）与相关技术中的道路热平衡测试或是热平衡环境舱试验相比，本公开实施例提供的方法不需要实物样车，在开发设计阶段即可计算。

2）相关技术中的实车测试只能获取热风回流的温度（通过在散热器上方布置温度传感器），无法获得热风回流量这一重要参数，本公开实施例提供的方法可获得热风回流量。

3）本公开实施例提供的方法实施周期更短，模型搭建好之后，只需通过简单的参数调节，即可计算出各种不同转速下的热风回流量及其对散热性能的影响，而相关技术中的实车测试需要样车试制、样车改装、试验资源调度、数据处理等多个程序，实施周期远大于本公开实施例提供的方法。

4）通过本公开实施例提供的方法，热风回流现象具备可视化条件，据此可以设计更加有效的优化方案，全方位规避热风回流现象，而相关技术中的实车测试无法提供该路径。

本公开实施例中的CFD为Computational Fluid Dynamic的缩写，即为计算流体力学。通过数值计算，对流场进行仿真和计算，得到流场内各个点的速度、温度、压力等物理量。

多相流为CFD技术中的一个模型。通过主相、次相设定来模拟两种及以上的流体或固体颗粒等的流动现象。

本公开实施例中所涉及的热平衡性能或散热性能主要指散热器的散热性能，重点考察发动机的极限环境使用温度。

基于上述本发明的各实施例，在没有明确否定的情况下，其中一个实施例的技术特征可以有益地与其他一个或多个实施例相互结合。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本发明的范围由所附权利要求来限定。