基于DOE的高原环境下车辆散热系统研究

　　【摘 要】以某型特种车辆散热系统为研究对象，分析高原环境车辆散热系统性能影响因素。在理论分析的基础上提出相应的系统改进方案，建立GT一维仿真模型，应用试验设计方法(DOE，design of experiment)在设计空间中均匀采样，进而对高原环境散热系统性能进行多目标优化计算，建立基于DOE多目标优化的散热系统MAP控制策略和神经网络控制策略模型。研究结果表明，以上两种控制策略均能满足车辆各工况下使用需求，降低系统功耗，并且基于DOE多目标优化的神经网络控制策略在降低系统耗功和温控效果方面更有优势。

　　【关键词】DOE;多目标优化;高原;神经网络

　　散热系统是保障车辆正常稳定运行的重要辅助系统之一，需满足车辆在各种工况下运行的散热需求。散热系统的优劣程度直接影響到车辆的热安全。高原环境下，大气参数发生巨大改变，严重影响车辆发动机的工作状态和散热系统的散热性能，为同时满足车辆平原以及高原等工况的使用需求，需要合理设计散热系统结构，应用高效的散热系统控制策略，避免车辆运行过程中出现过冷或过热问题，保证整车系统的高效工作。

　　本文以某型特种车辆散热系统为研究对象，分析高原环境车辆散热系统性能影响因素。在理论分析的基础上提出相应的系统改进方案，进而建立GT一维仿真模型，应用试验设计(design of experiment，简称DOE)方法，对高原环境散热系统性能进行多目标优化计算，开展基于DOE多目标优化的散热系统MAP控制策略和神经网络控制策略研究。

　　1 高原环境大气热力学参数对散热系统散热能力的影响

　　散热系统中采用板翅式紧凑散热器，并采用混流排风扇强制冷却方式。

　　散热器内部冷流(空气)和热流(冷却液)的冷却传热可采用公式(1)～(3)进行计算[1]：

　　Q■=m■c■(T■■-T■■)Q■=m■c■(T■■-T■■)Q■=Q■=Q■(1)

　　式中，Qa、Qc和Qr分别为空气、冷却液和散热器的散热量;ma和mc分别为空气和冷却液的质量流量;cpa和cpc分别为空气和冷却液的比热容;T■■和T■■分别为空气入口和出口温度;T■■和T■■分别为冷却液入口和出口温度。

　　Qr=KrArΔTmΔTm=■(2)

　　式中，Kr为散热器的传热系数;Ar为散热器的传热面积;ΔTm为散热器的对数平均温差。板翅式散热器和大气接触的散热翅片，在传热计算上可以当作肋处理，传热系数为：

　　Kr=[β/hh+(δ/λ)β+1/(ηhc)]-1(3)

　　式中，hh和hc分别为热流体与内侧光表面之间的换热系数和外侧冷流体与肋表面之间的换热系数;δ和λ分别为肋的厚度及其导热系数;β为肋化系数;η为肋总效率。

　　综上可得高原环境对于散热系统的影响主要表现在以下几个方面：

　　(1)海拔高度对对数平均温差的影响。随着海拔高度的升高，环境温度即散热器冷侧入口温度降低使得散热器的对数平均温差升高，有利于提高散热器的散热量。

　　(2)海拔高度对冷却排风扇散热能力的影响。随着海拔高度的升高，环境压力降低使得大气密度降低，在假设体积流量不变的情况下风扇质量流量随密度降低而降低，导致散热系统气侧所能带走的热量减少。

　　(3)海拔高度对散热器自身传热系数的影响。散热器的散热能力主要取决于传热系数Kr，而δ、λ、β和η等参数由散热器结构决定，与大气热力学参数无关;热侧流体在管内流动，因此热侧的对流换热系数也与大气状态无关，所以影响传热系数Kr的主要因素是大气侧即冷侧换热系数hc的变化。

　　换热系数hc与各物理量的关系可由下述准则方程导出[2]。努塞尔数的定义式为：

　　Nu=hcde/λ(4)

　　式中，de为当量直径。

　　在工程计算中，常采用传热因子j计算换热系数，j与Nu的关系式为：

　　Nu=RePr1/3j(5)

　　式中，Re为雷诺数;Pr为普朗特数。综合公式(4)和(5)可得：

　　hc=RePr1/3jλ/de(6)

　　对于空气侧来说，流体的流动状态一般为紊流，根据散热器中散热带形状和结构的不同，传热因子j的表达式也不同，但都具有共同的规律性即与Re的指数成比例关系[3-5]。

　　空气的Pr约为0.7，可视为常数，综合上述公式并合并常数项为C，可得：

　　hc=CRenλ/de(7)

　　式中：C和n为无因次常数。

　　雷诺数的定义式为：

　　Re=pul/μ(8)

　　式中，u为空气流速;l为特征长度(当量直径de);μ为空气的动力黏度，整理可得：

　　hc=C(λunμ-nd■■e)ρn(9)

　　其中，de与海拔高度无关，u、μ和λ随海拔高度的变化不大，只有空气密度ρ随海拔高度的上升而明显减小，从而使得换热系数hc随海拔高度的升高而显著减小，因而散热器的传热系数Kr随海拔高度的升高而减小。

　　2 散热系统方案研究

　　2.1 原车散热系统方案

　　根据该特种车辆热源部件的工作需求，散热系统水路采用单泵双循环高低温回路冷却方案，油路中传动油采用油空、油水二级散热方案。其中，高温回路包括发动机和发动机油冷器;低温回路包括水空中冷器、传动油冷器和分动箱油冷器。气路由一个直径为620mm的混流排风扇驱动循环，最终热量经由散热器模块散到外界环境中，具体散热系统原理如图1所示。

　　推荐阅读：《电子科技文摘》坚持为社会主义服务的方向，坚持以马克思列宁主义、毛泽东思想和邓小平理论为指导，贯彻“百花齐放、百家争鸣”和“古为今用、洋为中用”的方针，坚持实事求是、理论与实际相结合的严谨学风，传播先进的科学文化知识，弘扬民族科学文化，促进国际科学文化交流，探索防灾科技教育、教学及管理诸方面的规律，活跃教学与科研的学术风气，为教学与科研服务。

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 基于DOE的高原环境下车辆散热系统研究

文章地址： http://www.qikanvip.com/guangdianjishu/49365.html