一種內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱流量分析

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱流量分析本文分析了汽車?yán)鋮s系統(tǒng)傳熱理論模型的發(fā)展。該模型具有連接各種冷卻系統(tǒng)子模型的模塊化結(jié)構(gòu)。從模型上看，汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的熱傳遞速率可預(yù)計(jì)，并在設(shè)計(jì)和開發(fā)的早期階段提供有用的信息。這項(xiàng)研究的目的是開發(fā)一個(gè)用于汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的分析和一種分析換熱器的性能分析的仿真程序。從燃燒氣體到冷卻劑通過汽缸壁在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的熱釋放速率，通過使用發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)模擬程序分析。在本文中，每個(gè)子模型的細(xì)節(jié)與車輛模型的整體結(jié)構(gòu)描述在一起。關(guān)鍵詞：模塊化結(jié)構(gòu) 冷卻系統(tǒng) 換熱器 計(jì)算機(jī)仿真程序 1 引言在汽車工業(yè)領(lǐng)域，汽車的設(shè)計(jì)的領(lǐng)域正在迅速向新技術(shù)的使用方向發(fā)展。汽車?yán)鋮s系統(tǒng)目的是保證發(fā)動(dòng)機(jī)能保持在其最有效

2、的實(shí)際操作溫度。目前在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)趨勢是朝著更小更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)，但這樣的結(jié)果是減少浪費(fèi)的能量可用于加熱和提高乘客的舒適度。目前的高效發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建熱的發(fā)動(dòng)機(jī)室，熱排氣管，熱的潤滑油，至少是從冷啟動(dòng)條件下，不會傳給車廂內(nèi)的乘客。這是有需要的去檢查車輛的總熱量平衡和控制烯烴，為車輛的搜索性能優(yōu)化和成本節(jié)約。因此，一個(gè)更詳細(xì)的分析是關(guān)于設(shè)計(jì)者的要求對現(xiàn)有的熱資源分配優(yōu)化。因此，發(fā)對于開發(fā)環(huán)境工程師來說這將是非常有用的，如果一個(gè)計(jì)算機(jī)模型可用于不僅僅是支持也能減少測試過程中所需的開發(fā)工作。這樣一個(gè)模型可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱行為及其部件經(jīng)營預(yù)測各種設(shè)計(jì)的影響參數(shù)。利用計(jì)算機(jī)仿真可以大大提高了開發(fā)

3、工作中性能趨勢的預(yù)測和取舍，因此，對新一代汽車的加熱和冷卻系統(tǒng)將是更有效和更好的優(yōu)化結(jié)果。本文的主要目的是開發(fā)計(jì)算設(shè)計(jì)機(jī)程序，可用于工程師對車輛冷卻系統(tǒng)的流體的性能的計(jì)算。該模型可以預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度對設(shè)計(jì)的影響、車上的熱性能參數(shù)和操作條件的影響。本文也詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的熱分析及其組件是可以通過預(yù)測得到的，冷卻劑的溫度和傳熱率在冷卻回路和與其他組件的跨越邊界也是可以預(yù)測的。2 模型的描述為了分析汽車?yán)鋮s系統(tǒng)在傳熱與流體流動(dòng)回路中的熱流體的特性，建模工作要在組件和整個(gè)系統(tǒng)中開始實(shí)施。一個(gè)完整的模型包括為每一個(gè)可以集成一個(gè)整體的模型所需要的子模型，代表整個(gè)車輛熱系統(tǒng)的主要成分包括構(gòu)件建模涉及的一

4、些占主要成分的模型的發(fā)展以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)與各自的熱平衡方程和流體方程。整體的系統(tǒng)模型的子模型的集成成分可以為熱系統(tǒng)的性能進(jìn)行預(yù)測。仿真模型開發(fā)各組件：這是基于一個(gè)數(shù)學(xué)分析以及他們的傳熱與流體流動(dòng)表示。這篇文章介紹汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的傳熱模型和汽車發(fā)展規(guī)劃中的應(yīng)用。早期的工作包括車輛冷卻模型的發(fā)展已經(jīng)報(bào)道了幾篇相關(guān)的論文。整體模型是基于男性乘客汽車將所有主要的傳熱部件如發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻系統(tǒng)以及散熱器。模型的結(jié)構(gòu)是基于模塊化來進(jìn)行安排各個(gè)子模型的模擬性能和所有的傳熱元件的模擬性能。整個(gè)系統(tǒng)的熱性能進(jìn)行模擬是通過求解一組表示的系統(tǒng)的質(zhì)量流量的連續(xù)性和能量守恒的微分方程得到的。2.1車輛模型車輛模型集成了以上

5、的所有的子模型來描述成為一個(gè)整體的系統(tǒng)模型進(jìn)而來代表整個(gè)車輛。在我們建成的核心模型中，進(jìn)行質(zhì)量和能量流的迭代循環(huán)，一直重復(fù)直到達(dá)到我們需要的最新的穩(wěn)態(tài)解。進(jìn)行主迭代穩(wěn)態(tài)回路計(jì)算然后以確定是否存在任何不平衡的能量守恒和質(zhì)量和流量的連續(xù)性。對于每次迭代，未知變量的新值要進(jìn)行重新計(jì)算，以此來減少錯(cuò)誤。這些計(jì)算被重復(fù)直到所有質(zhì)量與能量流的兼容性標(biāo)準(zhǔn)滿足我們規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。一個(gè)典型的汽車?yán)鋮s系統(tǒng)包括一個(gè)組件和幾個(gè)流體的流數(shù)電路示意圖。1。如可以看到，各個(gè)部件都是通過質(zhì)量流和能量取決于它們的功能鏈接和性能特點(diǎn)。整車模型是由許多單獨(dú)的組件模型，聯(lián)系在一起，這樣的輸出結(jié)果從一個(gè)單獨(dú)的模型從輸入另一個(gè)邊界條件

6、。車輛的速度：2.2發(fā)動(dòng)機(jī)模型發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開發(fā)的模型提供的熱特性特點(diǎn)表征，發(fā)動(dòng)機(jī)模型是基于一組所定義的保護(hù)能量和質(zhì)量能在一個(gè)控制體積代表氣缸的微分方程。這些方程的求解計(jì)算循環(huán)的溫度采用兩區(qū)循環(huán)模擬程序的壓力的方法。燃燒過程是由熱來代表的釋放過程。循環(huán)進(jìn)行模擬時(shí)使用基本設(shè)計(jì)參數(shù)輸入數(shù)據(jù)和迭代計(jì)算直到達(dá)到穩(wěn)定的條件。對于渦流火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)來說，氣缸氣體平均速度W（米/秒）的相關(guān)性很重要?；鸹c(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)顯示了平均缸內(nèi)氣體速度對這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)可接受的預(yù)測。2.3冷卻系統(tǒng)模型這個(gè)模型將發(fā)動(dòng)機(jī)的模型，散熱器恒溫?zé)崃髁康挠?jì)算率，為汽車?yán)鋮s系統(tǒng)各部件的熱通量和溫度。熱在冷卻系統(tǒng)軟管的損失被認(rèn)為是可以完全

7、忽略的，因此冷卻液溫度從發(fā)動(dòng)機(jī)吸收和消耗的熱量散熱器進(jìn)行對熱計(jì)算。能量方程進(jìn)行迭代求解一組熱力學(xué)條件時(shí)滿足從發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器之間的熱的熱平衡吸收和耗散。通常一個(gè)數(shù)值的解決方案是采用在一個(gè)平衡的條件下重復(fù)調(diào)整冷卻液的溫度值。迭代開始的一個(gè)假設(shè)是冷卻液溫度的熱流量流入和流出的冷卻劑回路可以計(jì)算。整體熱平衡進(jìn)行檢查：如果在能量方程中存在的任何不平衡，可以進(jìn)行冷卻液溫度回路重復(fù)修正，直到達(dá)到熱平衡。在這些計(jì)算時(shí)，假定恒溫電梯是冷卻水溫度和之間恒溫活化溫度的差成比例。圖2顯示了溫控器的實(shí)際特性。這發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻速度之間的比率泵是一個(gè)固定的比例，并給出了制造。2.4換熱器模型在換熱器模型的基礎(chǔ)上的散熱器的散熱特

8、性和實(shí)證性的相關(guān)性對空氣和冷卻劑側(cè)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算傳熱。熱換熱器模型計(jì)算散熱器傳熱基于有效性-NTU法由凱斯和倫敦描述的該模型的假設(shè)，散熱器分成多個(gè)矩形進(jìn)行每個(gè)段的散熱分段計(jì)算。每個(gè)單元的冷卻劑出口溫度計(jì)算和全面綜合散熱器的面積。因此，該模型具有能力處理部分重疊在多人散熱器包熱交換器和不均勻的流速分布。冷卻空氣流的計(jì)算作為一個(gè)功能的車輛速度。進(jìn)入的空氣速度的支持使用由占車輛的速度和冷卻風(fēng)機(jī)的操作的相鄰模型。這傳熱速率的計(jì)算散熱器模型如下：在冷卻液的傳熱系數(shù)一邊是強(qiáng)制對流的計(jì)算傳熱的相關(guān)性由迪圖斯貝爾特（1992）和式（1943）。熱在空氣側(cè)傳熱是基于公式由常和王開發(fā)（1997）為百葉窗翅片。3 車

9、輛分析程序冷卻系統(tǒng)圖3顯示了一個(gè)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的分析程序流程圖。形式如下圖，我們知道分析程序的冷卻系統(tǒng)是由通過這些工作條件的輸入系統(tǒng)降低汽車的使用條件的冷卻分析，發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)，室溫條件下，散熱器幾何和恒溫特性。當(dāng)車輛速度的由相關(guān)的齒輪來決定的，然后這是組織作為冷卻系統(tǒng)的分析；計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的條件和假設(shè)初始冷卻液溫度和流量條件。其次，再循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)冷卻液溫度的計(jì)算冷卻系統(tǒng)的模型，還帶有溫控開度和冷卻液流量的程序組織通過重新計(jì)算有一個(gè)解決方案直到這兩相減的值是在公差的假設(shè)值的冷卻模型和計(jì)算冷卻劑溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)模型。案件的細(xì)節(jié)研究結(jié)果如表1所示。4 實(shí)驗(yàn)為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測的一系列試驗(yàn)的有效性是對散熱器進(jìn)

10、行風(fēng)洞試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)測功機(jī)試驗(yàn)。冷卻液測量一系列的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載流量和冷卻液溫度條件。一種冷卻系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖4所示。測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)，測功機(jī)，溫度控制器，流量計(jì)等圖中所示。表2顯示了測試發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格。所有的溫度和流量數(shù)據(jù)與基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與讀解決冷卻液流量計(jì)精度采用0.2磁型，精度散熱器的散熱試驗(yàn)在空氣和冷卻劑流量組合模擬的熱性能。5 結(jié)果與討論5.1仿真 圖5可以看出在預(yù)測和衡量氣缸壓力的一個(gè)比較，是在火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的1.5升四缸屋頂型和第3個(gè)門閥室上進(jìn)行的。數(shù)字模擬，結(jié)果是在良好的協(xié)議與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)房屋得到的。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差是在整個(gè)的曲柄角從在 + 

11、/ - 2.6,0 OO 的范圍內(nèi)。圖6展示了在全面分期與各種熱轉(zhuǎn)移缸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的預(yù)測。5.2冷卻系統(tǒng)的分析結(jié)果冷卻液的流量計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)相比，在寬冷卻液泵的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。圖7顯示壓力流量之間的比較及冷卻系統(tǒng)所獲得的特征。從試驗(yàn)和預(yù)測的冷卻系統(tǒng)的模型，可以看出，結(jié)果給出了在很寬的范圍內(nèi)的冷卻液泵速度和節(jié)溫器開度。還有他們之間的預(yù)測和良好的協(xié)議冷卻液的流量測量。標(biāo)準(zhǔn)的測試實(shí)踐是衡量熱耗散LBR范圍的冷卻空氣流率。散熱器曲線表明，熱冷卻液流量變化的非線性耗散率。這是由于過渡路線在層流到湍流的塔利范圍。散熱試驗(yàn)從冷卻劑側(cè)的雷諾茲數(shù)2125至6368范圍內(nèi)進(jìn)行

12、風(fēng)洞試驗(yàn)。計(jì)算和比較測得的熱耗散是如圖8所示，說明與預(yù)測的比較和測得的熱耗散率不同的冷卻空氣流量。他們表現(xiàn)出良好的協(xié)議表明，理論模型基于有效性-NTU法可以給更好的預(yù)測提供傳熱對空氣和冷卻劑側(cè)系數(shù)支柱早期的代表。5.3整體冷卻系統(tǒng)的分析結(jié)果車輛的熱流量模型可以模擬所有的瓷磚作為主要成分的車輛，從而能夠預(yù)測整個(gè)系統(tǒng)各部件的熱行為。該模型可用于預(yù)測熱的變化拒絕冷卻液適用范圍車輛速度的條件。圖9顯示了計(jì)算在每個(gè)齒輪全車速對道路范圍內(nèi)的全部散熱。發(fā)動(dòng)機(jī)的熱傳遞率的計(jì)算是使用發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)模擬程序介紹以上的計(jì)算。空氣流速和冷卻劑流率采用冷卻系統(tǒng)預(yù)測。在早些時(shí)候，對散熱器的傳熱計(jì)算是依據(jù)有效性法。車輛的速度覆

13、蓋范圍，如圖10，從10到140公里/小時(shí)，第五檔，充分裝載車。 預(yù)測的溫度在高速度的條件下，圖10，表明發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度降低很慢，從104.9攝氏度在20公里/小時(shí)的時(shí)到97攝氏度在60公里/小時(shí)的條件下，而預(yù)測散熱器下游的空氣溫度下降80攝氏度在20公里/小時(shí)的條件下到65攝氏度在60公里/小時(shí)的條件下。預(yù)測的溫度在低速度的條件表明，發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度下降隨著車速檢測可達(dá)80公里/小時(shí)，然后穩(wěn)步上升，而散熱器下游的空氣溫度折痕穩(wěn)步隨著車輛的速度的增加而增加，如圖11。在這些條件下，溫控器是標(biāo)準(zhǔn)地開在整個(gè)速度范圍內(nèi)，該冷卻風(fēng)扇在發(fā)生階關(guān)閉跳躍變化。5.4模型應(yīng)用本文的車輛熱流動(dòng)模型描述了模擬的各部件和系統(tǒng)的整體散熱行為和系統(tǒng)性能的預(yù)測。該模型的預(yù)測包括穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度、質(zhì)量流量和傳熱率冷卻系統(tǒng)。該模型目前包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，散熱器可擴(kuò)展到其他成分包括發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油路、油冷卻器和空氣空調(diào)系統(tǒng)。車輛的熱流量仿真模型在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析中發(fā)揮了非常關(guān)鍵作用。它可以提供支持和增強(qiáng)發(fā)展的同時(shí)也補(bǔ)充了熱流量分析或CFD計(jì)算，從而充分優(yōu)化高效冷卻系統(tǒng)。6 結(jié)論計(jì)算機(jī)模擬程序已用于汽車?yán)鋮s系統(tǒng)熱性能的預(yù)測。它已被證明，有良好的協(xié)議與實(shí)驗(yàn)就能得到預(yù)測的結(jié)果，從而提