高原环境对车辆动力舱温度场及红外特性影响研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:装备预研共用技术项目()作者简介:李耀宗()男硕士研究生:.通信作者:任登凤()女博士副教授硕士生导师:.:./.高原环境对车辆动力舱温度场及红外特性影响研究李耀宗任登凤韩玉阁(.南京理工大学 能源与动力工程学院 南京.南京理工大学 电子设备热控制工信部重点实验室 南京)摘要:高原环境下发动机、冷却系统等部件的运行状况发生较大变化对动力舱室热环境产生影响给目标的红外特性预测带来困难 对高原环境下动力舱及内部柴油机的运行状况进行仿真采用 软件建立一维传热模型对柴油机在西藏贡觉县运行时的状况进行模拟并将结果与高原环
2、境下三维目标温度场模型进行耦合获得动力舱的三维温度场分布情况 基于此建立目标红外辐射特征模型对动力舱的辐射特性进行计算 结果表明:相较于平原地区高原地区柴油机的燃烧状况较差功率及扭矩分别降低 和 有效燃油消耗率增大/()动力舱室表面温度有不同程度降低排烟及周围部位的温度场及红外特征更为明显关键词:高原环境发动机温度场红外特性本文引用格式:李耀宗任登凤韩玉阁.高原环境对车辆动力舱温度场及红外特性影响研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:/().:引言在现代高技术战争背景下随着红外探测技术的不断发展对目标的探测识别也需要红外特性数据进行支撑 年
3、 月 日中印加勒万河谷边境的冲突也表明未来装甲车辆的作战环境将更加复杂多变高原地区车辆的作战状况也越来越受到重视 高原地区大气压力、空气密度、温度、湿度随着海拔的升高不断降低导致柴油机的燃烧状况恶劣、功率下降、排气温度过高、燃油经济性下降等问题 同时高原环境温度较低柴油机启动过程较为困难 柴油机及动力舱室的散热条件也随之恶化流经散热器和柴油机部件表面的冷却空气减少散热器散热能力下降 这也导致高原环境下目标温度场及红外特性变化规律不同于平原因此迫切需要开展高原环境下发动机及动力舱的温度场及红外特性研究在已有的研究中骆清国等对柴油机进行了一维传热仿真对柴油机的本体温度进行分析探究 杨春浩等利用柴油
4、机高海拔热平衡试验系统分析了不同海拔下冷却液控制参数对整机热平衡的影响 邢俊文等依据柴油机和燃气轮机的结构和工作机理对其低温起动影响因素和高原工作过程进行对比分析阐明了燃气轮机的优势所在 等研究了海拔高度对没有校正系统的自然吸气和涡轮增压发动机功率的影响 等通过/与 耦合对车辆的起动过程进行仿真提出了一种新的速度可调复合增压方法 等对不同发动机参数下从流体到燃烧室壁的对流热通量与曲柄角的关系进行预测 目前国内外侧重于研究高原环境对发动机或冷却系统运行的影响对装甲车辆动力舱室在高原环境下的运行状况、温度场及红外特性的分布研究鲜有报道本文中探究了高原环境下柴油机运行状况及动力舱室温度场和红外特性的
5、变化为高原环境下装甲车辆动力系统的优化及各目标的红外探测识别提供有力支撑 柴油机传热仿真模型的建立及分析柴油发动机耦合模型主要包含了发动机模型、气缸换热模型及冷却系统模型其中发动机模型对气缸内的燃烧状况进行模拟并与气缸换热模型耦合模拟燃烧室内气体的热交换过程 燃油燃烧的能量主要分为燃烧放热和燃烧损失个部分其中燃烧放热的能量主要分为曲轴输出功、传热损失、排气损失及附件驱动 在发动机的工作过程中冷却液不断流过高温发动机带走大量的热量同时在散热器处与从外界流入的冷却空气进行对流换热降低温度后经过水泵流入水套反复运行工作以某型号装甲车辆柴油机及冷却系统的实际结构为基础采用 软件建立柴油机及冷却系统耦合
6、仿真模型基本参数及耦合模型如表 和图 所示表 发动机基本参数 项目参数型式 型、缸、直喷压缩比.缸径 行程 额定功率 ()最大扭矩 ()图 柴油发动机耦合模型.发动机模型发动机内柴油与空气在燃烧室内混合燃烧产生大量的能量 推动曲轴箱运转带动车辆前行 发动机模型主要包含了进排气模块、进排气歧管模块、涡轮增压模块、中冷模块、喷油器、曲轴箱模块等具体如图 所示兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 发动机模型.在涡轮增压器的作用下进气质量流量有较大幅度增加但由于排出的高温烟气在给涡轮机提供动力时会通过热传导提高压气机的温度从而使得空气与高温压气机对流换热后温度有所升高 另外空气在被压缩的过程中温度
7、也会不断增大为了避免进入燃烧室的空气温度过高经过加压后的空气需要在中冷器中经过降温后再流入燃烧室与燃油混合燃烧 从燃烧室流出的高温烟气在流经排烟管道时不断与管壁进行对流换热最后排入大气环境发动机内部对流换热情况十分复杂气缸内流体速度及密度远大于正常环境对流换热部分的热量交换远大于辐射部分 为了能够准确模拟在发动机阀门打开及关闭期间流体的对流换热情况通过 公式求出换热系数该公式基于进气阀的流入速度及回流阀的回流速度对传热系数进行更加准确的求取 对流换热系数计算公式为.()式()中:为对流换热系数 为缸径及 为给定系数分别为.及.、分别为缸内压力及温度 为气缸平均气体流速.气缸换热模型气缸换热模型
8、如图 所示主要包含了气缸结构及冷却液在水套中的流动过程 气缸与发动机模型耦合燃烧室内柴油燃烧产生大量热量气缸内温度不断升高高温气体通过对流换热向缸盖、活塞、缸体等部件的内壁面传递大量热量同时内部高温壁面不断通过热传导向外部壁面传递热量 冷却液流经高温部件通过对流换热带走大量热量降低部件表面的温度使得其能够正常运行.冷却系统模型冷却系统在发动机的运行过程中对发动机及其附件进行冷却降温模型如图 所示 冷却系统主要包含了散热器、水泵、膨胀水箱、风扇等部件 散热器分为“”和“”个部分分别为主散热器和从散热器二者相互耦合升温后的冷却液流经主散热器与流过从散热器的外界空气进行热交换降低自身温度 根据两流体
9、之间的传热速率平衡散热器的传热计算公式可表示为:()()()式()中:为流体与壁面间对流传热系数 为冷、热流体与壁面传热面积 为流体与壁面间温度 为壁面材料密度 为壁面体积为壁面材料比热容下脚标 及 分别代表散热器的冷却液侧及风侧图 气缸换热模型.图 冷却系统模型.模型计算结果及分析.平原计算结果及校验基于搭建完成的柴油机传热仿真模型发动机转速在 /内每间隔 /进行一次取值皆为全负荷状态 外界环境选取南京地区 年 月 日的天气数据发动机模型的求解器选择为显示求解其余模型的计算选择隐式求解 对不同转速下发动机的运行状况进行模拟计算选择功率、扭矩、(有效燃油消耗率)等关键性能参数作为指标对仿真模型
10、进行校验结果如表 和图 所示李耀宗等:高原环境对车辆动力舱温度场及红外特性影响研究表 柴油发动机性能参数 发动机转速/()功率/试验值仿真值扭矩/()试验值仿真值/()试验值仿真值 .图 柴油发动机性能对比.从表 和图 中能够看出:发动机在不同转速下全负荷运行时试验与仿真的发动机功率都随着转速的增加而不断增大在转速为 /时达到最大值分别为 和 二者误差为.功率的最大误差为 在 /时取得 发动机的扭矩的试验值在转速为 /时达到最大值 仿真值为 两者误差为.且二者的扭矩都在 /后开始不断下降整体趋势保持一致 发动机的经济性能指标 随着转速的增大先减少后增加仿真值略高于试验值但二者整体变化规律相同最
11、大误差为.通过对仿真数值与试验值进行对比分析能够发现所有误差均小于 符合计算标准的要求.高原模拟计算结果高原环境下空气的密度、压力、温度和运动黏度等热力学参数受影响较大相比之下比热容、动力黏度、热导率等参数受环境变化影响较小 大气温度及压力随着海拔的升高而不断降低计算公式为 .()(.).()式()、式()中:为海拔高度为()处的大气温度为平原处的大气温度为海拔高度 处的压力为标准大气压 为海拔高度选择海拔高度 的西藏昌都地区贡觉县(.)作为高原环境大气压力为.以发动机一维传热模型为基础模拟计算得到发动机转速为 /时高原与平原的结果对比如表 所示表 发动机高原与平原性能参数对比 性能参数海拔/
12、功率/扭矩/()/().排烟流量/().排烟温度/散热量/兵 器 装 备 工 程 学 报:/./从表 能够发现:相较于平原地区发动机在高原功率及扭矩分别降低了 和 增加了/()车辆排烟流量降低./排烟温度升高 这是由于车辆在高原运行时空气密度降低发动机进气量有较明显的减少燃烧室内的柴油无法与足够空气充分混合燃烧 除此之外散热系统的散热量下降了 这是因为外界环境的改变导致流经散热器的冷却空气质量流量和雷诺数随着海拔的升高而不断减小散热器空气侧的对流换热系数不断降低冷却系统性能不断下降 动力舱温度场及红外辐射特性的仿真与分析.物理模型的建立动力舱内部包含发动机、发电机、涡轮增压器、机油箱、散热器、
13、中冷器等高温部件其几何模型如图 所示图 动力舱几何模型.动力舱的长宽高为 .散热系统位于舱室中后部上方为迎风的进气栅格部位外界空气在风扇的驱动下从此处流入之后流经下方的散热器部件带走冷却液热量同时自身温度升高 散热系统内的 个风扇分别位于散热器下方涡壳的左右两侧流过散热器的空气在流经风扇后从排气栅格排出 整车的排烟管位于舱室的正后方高温烟气从燃烧室排出后经过排气歧管的汇总最终通过排烟管排向大气 排烟管长宽分别为.和.单个排气栅格厚度为 每个栅格的间距为 且栅格均向中间有 的倾斜角度这能够保证涡壳内部的流体在流出栅格后与排出的高温烟气混合降低烟气温度在进行温度场的仿真模拟前选择非结构化网格方法对
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