高原环境下柴油机冷却系统性能仿真

冷却系统的散热性能。
１．２ 海 拔 对 冷 却 参 数 影 响 分 析 １．２．１ 海 拔 对 传 热 系 数 的 影 响
海拔主要是影响散热器冷侧对流传热系数进而
影响传热系数，分 析 冷 侧 对 流 传 热 系 数 随 海 拔 的 变
化 规 律 ，对 不 同 海 拔 的 传 热 系 数 进 行 修 正 。
第 ３ 期 （总 第 ２３６ 期 ） ２０１８ 年 ６ 月
车 用 发 动 机 ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥ
Ｎｏ．３（ＳｅｒｉａｌＮｏ．２３６） Ｊｕｎ．２０１８
高原环境下柴油机冷却系统性能仿真
刘 建 敏 ，康 琦 ，王 普 凯 ，刘 艳 斌 ，董 意
（陆 军 装 甲 兵 学 院 车 辆 工 程 系 ，北 京 １０００７２）
算 上 可 当 作 肋 片 处 理 ［６］，其 传 热 系 数 为
［ ］ 犓Ｒ
＝１／
β 犺Ｍ
＋
（δ／λ）β＋１／（η犺Ｓ）
。
（３）
式中：犺Ｍ ，犺Ｓ 分别为热流体与壁面间对流传热系数和
冷流体与肋表面间对流传热系数；δ，λ 分别为肋片厚
度和导热系数；β，η 分别为肋化系数和肋化效率。
收 稿 日 期 ：２０１７１２２０；修 回 日 期 ：２０１８０５２９ 基 金 项 目 ：国 防 “９７３”项 目 ；军 队 科 研 计 划 项 目 （２０１６ＺＢ０７） 作 者 简 介 ：刘 建 敏 （１９６３— ），男 ，教 授 ，博 士 ，主 要 研 究 方 向 为 军 用 车 辆 动 力 系 统 状 态 监 测 与 故 障 诊 断 ；ｊｘｘａａｆｅ１＠１６３．ｃｏｍ。
犇犗犐：１０．３９６９／ｊｉ．ｓｓｎ．１００１２２２２．２０１８．０３．００３ 中 图 分 类 号 ：ＴＫ４２４．２ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１２２２２（２０１８）０３００１６０７
我国拥有世界 上 面 积 最 大 的 高 原，平 均 海 拔 在 ２０００～４５００ ｍ，约 占 我 国 国 土 面 积 的 １／３［１２］。 高 原 条 件 下 ，柴 油 机 缸 内 燃 烧 恶 化 、冷 却 系 统 传 散 热 能 力 降 低 ，若 不 加 控 制 和 处 理 ，将 会 严 重 影 响 高 温 部 件 与 冷 却 液 之 间 的 传 热 ，导 致 柴 油 机 出 现 功 率 下 降 、水 油温升高超限、热 负 荷 过 高、可 靠 性 下 降 等 问 题，最 终严重影响装甲车辆的作战性能 。 ［２５］ 因此，研 究 不 同海拔下柴油机及其冷却系统性能的变化规律具有 较强的实际意义。
摘要：利用 ＧＴｓｕｉｔｅ软件建立了柴油机工作过程模型和冷却系统模型并进行直 接 耦 合，通 过 高 原 模 拟 台 架 试 验验证了模型的正确性，进而研究了不同海拔外特 性 工 况 下 柴 油 机 及 其 冷 却 系 统 性 能 的 变 化 规 律。 结 果 表 明：海 拔每升高１０００ ｍ，柴油机出口水温平均升高５．０１％，散 热 量 平 均 减 小 ６．２５％，风 扇 质 量 流 量 平 均 减 小 １１．２０％，柴 油机功率平均减小３．５５％，燃 油 消 耗 率 平 均 增 加 ４．６７％；该 装 甲 车 辆 在 海 拔 １０００～２６００ ｍ 低 转 速 区 和 海 拔 ２６００ ｍ以上必须降负荷或者提高冷却系统散热 能 力 后 使 用。 最 后 以 柴 油 机 出 口 水 温 不 超 过 报 警 值 为 目 标，计 算 得到了柴油机最大允许负荷和风扇最小体积流量增幅 ＭＡＰ 图，为 高 原 环 境 下 柴 油 机 及 其 冷 却 系 统 匹 配 和 改 进 提 供了参考。 关 键 词 ：高 原 环 境 ；柴 油 机 ；冷 却 系 统 ；仿 真
犆狆Ｍ ，犆狆Ｓ分别 为 冷 却 液 和 空 气 比 热 容；犜Ｍ′，犜Ｍ″分
别为 冷 却 液 入 口 和 出 口 温 度；犜Ｓ′，犜Ｓ″分 别 为 空 气
入口和出口 温 度；犓Ｒ 为 散 热 器 传 热 系 数；犃Ｒ 为 散
热器传热面积；Δ犜ｍ 为散热器对数平均温差。
管带 式 散 热 器 和 大 气 接 触 的 散 热 片，在 传 热 计
本研究以某装甲车辆柴油机及其冷却系统为研 究对象，建立了高 原 环 境 下 柴 油 机 工 作 过 程 和 冷 却 系统的一维模型，采 用 直 接 耦 合 方 法 实 现 了 工 作 过 程和冷却系统之间流动与传热边界条件双向传递， 完成对柴油机及其冷却系统更为精准的稳态计算。 通过高原模拟台架试验数据验证了模型的正确性， 进而研究了高原环境对柴油机及其冷却系统性能的 影响规律。最后以柴油机出口水温不超过报警值为 目标，计算求得了 柴 油 机 最 大 允 许 负 荷 和 风 扇 最 小 体积流量增幅 ＭＡＰ 图。
（１）
烆犙Ｒ ＝犙Ｍ ＝犙Ｓ
烄犙Ｒ ＝犓Ｒ犃ຫໍສະໝຸດ BaiduΔ犜ｍ
烅Δ犜
ｍ
狘 ＝
（犜Ｓ′－犜Ｍ′）－ （犜Ｓ″－犜 ｌｎ犜Ｓ′－犜 Ｍ′
Ｍ″）狘
。（２）
烆
犜Ｓ″－犜 Ｍ″
式中：犙Ｍ ，犙Ｓ 和 犙Ｒ 分 别 为 冷 却 液、空 气 和 散 热 器
散热量；犿Ｍ ，犿Ｓ 分 别 为 冷 却 液 和 空 气 质 量 流 量；
２０１８年６月 刘建敏，等：高原环境下柴油机冷却系统性能仿真 · １７ ·
通过 传 热 计 算 理 论 分 析，可 以 发 现 大 气 热 力 参
数主要通过改变散 热 器 传 热 系 数、流 经 散 热 器 的 空
气质量流量和冷热流体对数平均温差等参数来影响
１ 理 论 分 析
１．１ 冷 却 系 统 传 热 分 析 冷却 系 统 的 传 热 主 要 集 中 在 散 热 器 部 件 上，该
装甲车辆采用管带 式 紧 凑 散 热 器，冷 却 方 式 为 强 制
风冷。散热器内部热流和冷流的传热及散热器传热
量 可 ［６］ 采用式（１）和式（２）计算求得。
烄犙Ｍ ＝犿 Ｍ 犆狆Ｍ （犜Ｍ′－犜Ｍ″） 烅犙Ｓ ＝犿Ｓ犆狆Ｓ（犜Ｓ″－犜Ｓ′） ，