高原环境对车辆动力舱温度场及红外特性影响研究.pdf

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 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/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、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模型进行网格生成 散热系统中的进排气栅格、风扇、蜗壳等部件几何厚度较小且周围的流动复杂、温度较高是仿真过程中需要重点关注的部位所以网格尺寸的设置较小 动力舱壁面及舱内部件的网格尺寸基于各自的几何尺寸大小进行设置生成的网格如图 所示图 动力舱网格示意图.对舱室内部温度及进排气流量进行监测进行网格无关性验证最终生成的整体网格数量为 万且最小质量为.符合模拟计算的质量要求.温度场模型的建立及仿真.模型选择及参数设置在温度场模型的建立过程中对各处的对流换热、固体域的热量传导、内部热源及太阳的热辐射等过程进行分析在 中开启能量方程选择 湍流模型及 辐射模型并在辐射模型中开启太阳辐射模型参数分别依据平原及高原的环境进行设定 轴、轴的正方向分别为正东及正北方位 对于散热器模型 采用 软件中的“”模型作为散热器内部简化的场模拟模型通过设置内部的阻力分布系数对流体流动的压力损失进行设定对冷却液及冷却空气间的对流换热过程进行模拟 对于风扇旋转模型选择多坐标参考系模拟方法同时风扇周围旋转域的边界条件设置为“”能够使得旋转域内的流体与涡壳内部的流体进行正常的传热传质交换 设置来流为速度入口出口为压力出口动力舱各壁面为耦合边界进排气及排烟口均设置为“”边界本次仿真选择的地点为南京及西藏昌都地区贡觉县选择 年 月 日 作为仿真时间两地的环境参数对比如表 所示表 环境参数对比 环境参数地点南京西藏贡觉县海拔/大气压力/.大气温度/.地面温度/.空气密度/().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.仿真结果分析与对比本文中模拟动力舱的热动态运行状况舱室的运行速度为 /动力舱室内充满热源且空间狭小从燃烧室内流出的烟气温度较高散热器内的散热量较大这些部位的红外特征十分明显且会向四周传递大量的热量为此分别增设、的隔热层对动力舱上表面温度进行监测发现其平均温度分别为.、.、.的隔热层能够有效降低动力舱表面温度效果优于 隔热层且与 结果十分接近因此对高温部件分别增设 隔热层 基于前文发动机一维传热模型的计算结果考虑各部件与外界的热交换过程对动力舱进行模拟仿真得到动力舱的温度场分布如图 所示 动力舱外表面温度如表 所示图 动力舱温度场分布图.表 动力舱外表面温度 动力舱各部位温度平原高原上表面温度/.后表面温度/.两侧表面温度/.排气栅格温度/.排烟管温度/.从平原与高原的温度场分布情况可以看出:平原环境动力舱上表面、后表面、两侧表面平均温度分别大于高原环境.、.、.这是由于平原的环境温度高出高原环境.动力舱在较高温度的环境中运行时整体的温度也会随之升高 同时南京与西藏的经纬度及海拔高度不同同一时间动力舱同一表面接收到的太阳辐射量有所差异从而对表面温度的分布产生影响 平原环境排气栅格及排烟管温度分别低于高原环境.和.排气栅格下半部分的温度低于上半部分 这是由于高原环境空气密度远低于平原环境流经散热器的冷却空气流量随海拔的升高急剧降低导致从排气栅格流出的冷却空气及排气栅格温度过高 同时动力舱在高原环境下燃烧室内柴油燃烧不充分导致排出的烟气温度过高 排气栅格温度差异是由于风扇旋转时带动周围流体运动上方流体流过栅格其流速较大更多的高温冷却空气向栅格传递大量热量同时其流换热能力也强于下半部分栅格因此排气栅格上下部分产生温差图 和图 分别为排气栅格(包括外流域)下半部分(.)和上半部分(.)的速度云图 从图、图 中能够发现:冷却空气在涡壳内通过排气栅格流向外界时流体在栅格上半部分的流速大于下半部分更多的高温空气与栅格进行对流换热同时栅格上半部分的对流换热系数较大在动力舱的温度云图上则显示为温度数值较高 平原环境涡壳内风扇流速小于高原环境这是因为在高原环境下散热系统的散热能力大大降低为了避免车辆内部部件温度过高保证车辆的正常运行风扇的转速会随着海拔的升高而有所提升一定程度上提高散热系统的散热能力但由于外界大气的密度大幅降低流经散热器的冷却空气流量仍然降低了./左右两侧的排气栅格均向中间的排烟部位有一定的倾斜角度除了能够避免内部高温部件被红外探测识别还可以通过改变排出冷却空气的流向降低排出烟气的温度降低车辆的红外特征强度图 动力舱 .处速度云图.图 动力舱 .处速度云图.仿真获得的动力舱进排气及排烟的各数值如表 所示从表 中可以得出:动力舱在平原下的排气温度大于高原.远小于进气时高出的.高原环境空气密度远小于平原环境在相同情况下流经散热器的空气质量流量降低了./虽然在高原运行时散热器的散热量低于平原 但空气质量流量减小的幅度更为剧烈所造成的影响也更为强烈所以高原环境的冷却气体温升大于平原环兵 器 装 备 工 程 学 报:/./境 平原及高原排出的烟气温度小于发动机一维传热仿真模型计算得出的数值且烟气流量增大 这是由于相较于一般的排烟系统该排烟管两侧分别增添了 个进气口使得流经散热器进入涡壳的部分空气能够随风扇的转动流入排烟管与烟气混合降低其排放温度从而降低目标的红外特征 平原环境与高原环境的排烟温度分别降低了.和.混合后从排烟管流出 的 烟 气 流 量 分 别 为./和./分别增大了./和./同时平原的最终排烟温度低于高原.表 进排气及排烟的流量与温度 动力舱各流量及温度参数平原高原进气流量/().进气温度/.排气温度/.排烟流量(混合前)/().排烟温度(混合前)/.排烟流量(混合后)/().排烟温度(混合后)/.红外辐射特性分析对物体红外辐射特性的研究既能够为红外探测技术提供相应的基本数据也能基于此提出各种合适的红外隐身措施 动力舱的红外辐射特性是由自身状况及外界环境共同决定的其中自身的影响因素主要包括自身的表面温度、发射率、吸收率、透过率等外界环境的影响因素则是太阳辐射、天空背景辐射和地面背景辐射等以平原和高原的环境条件为基础在建立的目标红外辐射特征模型中输入大气温度、大气湿度、地面温度、地面发射率及反射率等参数配置文件中对各部分的发射率、吸收率进行设定并导入仿真获得的动力舱温度场及太阳辐射量数据得到动力舱表面的红外辐射亮度分布情况 动力舱表面辐射分布情况如图、图 所示动力舱表面辐射亮度如表、表 所示图 波段动力舱表面辐射分布情况.图 波段动力舱表面辐射分布情况.表 波段动力舱表面辐射亮度 动力舱各部位辐射亮度平原高原上表面辐射亮度/().后表面辐射亮度/().两侧表面辐射亮度/().排气栅格辐射亮度/().排烟管辐射亮度/().表 波段动力舱表面辐射亮度 动力舱各部位辐射亮度平原高原上表面辐射亮度/().后表面辐射亮度/().两侧表面辐射亮度/().排气栅格辐射亮度/().排烟管辐射亮度/().从图、图、表 及表 能够发现:动力舱表面的辐射亮度与温度场分布趋势较为相似平原环境上表面、后表面及两侧表面的辐射亮度分别大于高原环境.、.、./()和.、.、./()这是因为在影响物体红外特征强度的各因素中物体自身温度是主要原因之一温度较高的部位对应的红外特征也更为明显容易被红外武器探测识别 平原及高原环境下在 及 的 个波段内辐射亮度大于 /()和 /()的位置主要位于在排气栅格及排烟管部位且排烟部位的辐射亮度远大于其他部位平原环境低于高原环境./()、./()这是由于从燃烧室内排出的烟气含有大量能李耀宗等:高原环境对车辆动力舱温度场及红外特性影响研究量自身温度极高流经散热器的冷却空气与冷却液进行对流换热自身温度升高 当排烟管及排气栅格与动力舱表面进行对比分析时其红外特征也更为明显 与平原环境相比高原环境下舱室表面的红外亮度较低 高原环境温度低于平原环境同时舱室内增设隔热层舱内条件的变化对表面温度的影响程度受到大幅度降低 高原环境下动力舱排烟及相邻表面的红外辐射特征更为明显 结论本文中通过研究得到了目标温度场及红外特性的变化与分布规律主要结论如下:)发动机的功率、扭矩、随着转速的增大分别不断增大、先增大后减小、先减小后增大 与高原环境相比平原环境下功率、扭矩、散热器散热量、排烟量有一定程度的降低 及排烟温度有所增大)动力舱在平原环境下运行时的表面温度及进排气温度均大于高原环境 平原环境动力舱上表面、后表面、两侧表面平均温度分别大于高原环境.、.、.排气栅格及排烟管温度则小于高原环境.和.排气栅格上半部位表面温度大于下半部位)动力舱在平原及高原环境下排气及排烟部位的红外辐射特征较为明显高原环境排烟部位及相邻表面的辐射亮度大于平原环境 ./()、./()参考文献:李玉兰董素荣刘瑞林.装甲车辆环境适应性研究体系.装备环境工程():.():.:.许翔王丹徐俊芳等.车辆冷却系统高原热平衡性能研究.装备环境工程():.():.刘永丰王龙飞刘胜等.海拔高度对柴油机缸内热流分布影响规律研究.兵工学报():.():.马宁李若亭赵文柱等.高原环境条件下的柴油机起动过程试验研究.兵工学报():.():.():.():.周广猛刘瑞林焦宇飞等.柴油机高原燃烧特性研究进展.车用发动机():.():.许翔索文超杨定富等.车用散热器高原传热性能仿真研究.系统仿真学报():.():.骆清国鲁俊赵耀等.基于 的柴油机一维传热仿真分析.兵器装备工程学报():.():.杨春浩刘瑞林刘楠等.基于冷却液控制参数的柴油机变海拔热平衡试验.工程热物理学报():.():.邢俊文张更云姚新民等.车用燃气轮机极寒高原环兵 器 装 备 工 程 学 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