【摘 要】以某型特種車輛散熱系統(tǒng)為研究對象，分析高原環(huán)境車輛散熱系統(tǒng)性能影響因素。在理論分析的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的系統(tǒng)改進(jìn)方案，建立GT一維仿真模型，應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(DOE，design of experiment)在設(shè)計(jì)空間中均勻采樣，進(jìn)而對高原環(huán)境散熱系統(tǒng)性能進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，建立基于DOE多目標(biāo)優(yōu)化的散熱系統(tǒng)MAP控制策略和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略模型。研究結(jié)果表明，以上兩種控制策略均能滿足車輛各工況下使用需求，降低系統(tǒng)功耗，并且基于DOE多目標(biāo)優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略在降低系統(tǒng)耗功和溫控效果方面更有優(yōu)勢。

　　【關(guān)鍵詞】DOE;多目標(biāo)優(yōu)化;高原;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

　　散熱系統(tǒng)是保障車輛正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要輔助系統(tǒng)之一，需滿足車輛在各種工況下運(yùn)行的散熱需求。散熱系統(tǒng)的優(yōu)劣程度直接影響到車輛的熱安全。高原環(huán)境下，大氣參數(shù)發(fā)生巨大改變，嚴(yán)重影響車輛發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)和散熱系統(tǒng)的散熱性能，為同時(shí)滿足車輛平原以及高原等工況的使用需求，需要合理設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用高效的散熱系統(tǒng)控制策略，避免車輛運(yùn)行過程中出現(xiàn)過冷或過熱問題，保證整車系統(tǒng)的高效工作。

　　本文以某型特種車輛散熱系統(tǒng)為研究對象，分析高原環(huán)境車輛散熱系統(tǒng)性能影響因素。在理論分析的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的系統(tǒng)改進(jìn)方案，進(jìn)而建立GT一維仿真模型，應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment，簡稱DOE)方法，對高原環(huán)境散熱系統(tǒng)性能進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，開展基于DOE多目標(biāo)優(yōu)化的散熱系統(tǒng)MAP控制策略和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略研究。

　　1 高原環(huán)境大氣熱力學(xué)參數(shù)對散熱系統(tǒng)散熱能力的影響

　　散熱系統(tǒng)中采用板翅式緊湊散熱器，并采用混流排風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻方式。

　　散熱器內(nèi)部冷流(空氣)和熱流(冷卻液)的冷卻傳熱可采用公式(1)～(3)進(jìn)行計(jì)算[1]：

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

　　式中，Qa、Qc和Qr分別為空氣、冷卻液和散熱器的散熱量;ma和mc分別為空氣和冷卻液的質(zhì)量流量;cpa和cpc分別為空氣和冷卻液的比熱容;T■■和T■■分別為空氣入口和出口溫度;T■■和T■■分別為冷卻液入口和出口溫度。

　　Qr=KrArΔTmΔTm=■(2)

　　式中，Kr為散熱器的傳熱系數(shù);Ar為散熱器的傳熱面積;ΔTm為散熱器的對數(shù)平均溫差。板翅式散熱器和大氣接觸的散熱翅片，在傳熱計(jì)算上可以當(dāng)作肋處理，傳熱系數(shù)為：

　　Kr=[β/hh+(δ/λ)β+1/(ηhc)]-1(3)

　　式中，hh和hc分別為熱流體與內(nèi)側(cè)光表面之間的換熱系數(shù)和外側(cè)冷流體與肋表面之間的換熱系數(shù);δ和λ分別為肋的厚度及其導(dǎo)熱系數(shù);β為肋化系數(shù);η為肋總效率。

　　綜上可得高原環(huán)境對于散熱系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　(1)海拔高度對對數(shù)平均溫差的影響。隨著海拔高度的升高，環(huán)境溫度即散熱器冷側(cè)入口溫度降低使得散熱器的對數(shù)平均溫差升高，有利于提高散熱器的散熱量。

　　(2)海拔高度對冷卻排風(fēng)扇散熱能力的影響。隨著海拔高度的升高，環(huán)境壓力降低使得大氣密度降低，在假設(shè)體積流量不變的情況下風(fēng)扇質(zhì)量流量隨密度降低而降低，導(dǎo)致散熱系統(tǒng)氣側(cè)所能帶走的熱量減少。

　　(3)海拔高度對散熱器自身傳熱系數(shù)的影響。散熱器的散熱能力主要取決于傳熱系數(shù)Kr，而δ、λ、β和η等參數(shù)由散熱器結(jié)構(gòu)決定，與大氣熱力學(xué)參數(shù)無關(guān);熱側(cè)流體在管內(nèi)流動，因此熱側(cè)的對流換熱系數(shù)也與大氣狀態(tài)無關(guān)，所以影響傳熱系數(shù)Kr的主要因素是大氣側(cè)即冷側(cè)換熱系數(shù)hc的變化。

　　換熱系數(shù)hc與各物理量的關(guān)系可由下述準(zhǔn)則方程導(dǎo)出[2]。努塞爾數(shù)的定義式為：

　　Nu=hcde/λ(4)

　　式中，de為當(dāng)量直徑。

　　在工程計(jì)算中，常采用傳熱因子j計(jì)算換熱系數(shù)，j與Nu的關(guān)系式為：

　　Nu=RePr1/3j(5)

　　式中，Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特?cái)?shù)。綜合公式(4)和(5)可得：

　　hc=RePr1/3jλ/de(6)

　　對于空氣側(cè)來說，流體的流動狀態(tài)一般為紊流，根據(jù)散熱器中散熱帶形狀和結(jié)構(gòu)的不同，傳熱因子j的表達(dá)式也不同，但都具有共同的規(guī)律性即與Re的指數(shù)成比例關(guān)系[3-5]。

　　空氣的Pr約為0.7，可視為常數(shù)，綜合上述公式并合并常數(shù)項(xiàng)為C，可得：

　　hc=CRenλ/de(7)

　　式中：C和n為無因次常數(shù)。

　　雷諾數(shù)的定義式為：

　　Re=pul/μ(8)

　　式中，u為空氣流速;l為特征長度(當(dāng)量直徑de);μ為空氣的動力黏度，整理可得：

　　hc=C(λunμ-nd■■e)ρn(9)

　　其中，de與海拔高度無關(guān)，u、μ和λ隨海拔高度的變化不大，只有空氣密度ρ隨海拔高度的上升而明顯減小，從而使得換熱系數(shù)hc隨海拔高度的升高而顯著減小，因而散熱器的傳熱系數(shù)Kr隨海拔高度的升高而減小。

　　2 散熱系統(tǒng)方案研究

　　2.1 原車散熱系統(tǒng)方案

　　根據(jù)該特種車輛熱源部件的工作需求，散熱系統(tǒng)水路采用單泵雙循環(huán)高低溫回路冷卻方案，油路中傳動油采用油空、油水二級散熱方案。其中，高溫回路包括發(fā)動機(jī)和發(fā)動機(jī)油冷器;低溫回路包括水空中冷器、傳動油冷器和分動箱油冷器。氣路由一個(gè)直徑為620mm的混流排風(fēng)扇驅(qū)動循環(huán)，最終熱量經(jīng)由散熱器模塊散到外界環(huán)境中，具體散熱系統(tǒng)原理如圖1所示。

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