基于DOE的高原環(huán)境下車(chē)輛散熱系統(tǒng)研究

孫曉霞　邵春鳴　牛丹華　高佳瑜　楊立寧　王國(guó)柱

【摘 要】以某型特種車(chē)輛散熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析高原環(huán)境車(chē)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(duì)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(mǎn)足車(chē)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(shì)。

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

中圖分類(lèi)號(hào)： U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）30-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.001

散熱系統(tǒng)是保障車(chē)輛正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要輔助系統(tǒng)之一，需滿(mǎn)足車(chē)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(chē)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(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和散熱系統(tǒng)的散熱性能，為同時(shí)滿(mǎn)足車(chē)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(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)冷或過(guò)熱問(wèn)題，保證整車(chē)系統(tǒng)的高效工作。

本文以某型特種車(chē)輛散熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析高原環(huán)境車(chē)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(jiǎn)稱(chēng)DOE）方法，對(duì)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(kāi)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(wú)關(guān);熱側(cè)流體在管內(nèi)流動(dòng)，因此熱側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)也與大氣狀態(tài)無(wú)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(duì)于空氣側(cè)來(lái)說(shuō)，流體的流動(dòng)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(wú)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(zhǎng)度（當(dāng)量直徑de）;μ為空氣的動(dòng)力黏度，整理可得：

hc=C（λunμ-nd■■e）ρn（9）

其中，de與海拔高度無(wú)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(chē)散熱系統(tǒng)方案

根據(jù)該特種車(chē)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(dòng)油采用油空、油水二級(jí)散熱方案。其中，高溫回路包括發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)油冷器;低溫回路包括水空中冷器、傳動(dòng)油冷器和分動(dòng)箱油冷器。氣路由一個(gè)直徑為620mm的混流排風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)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。

圖1 散熱系統(tǒng)原理圖

2.2 散熱系統(tǒng)改進(jìn)方案

針對(duì)該特種車(chē)輛現(xiàn)有散熱系統(tǒng)不能滿(mǎn)足高原環(huán)境車(chē)輛正常運(yùn)行的現(xiàn)狀，結(jié)合上述高原環(huán)境大氣熱力學(xué)參數(shù)對(duì)散熱系統(tǒng)散熱能力影響的理論分析，以高原4500m，環(huán)境溫度20℃為設(shè)計(jì)點(diǎn)，提出散熱系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。方案中主要采取以下兩個(gè)措施來(lái)提高系統(tǒng)的高原散熱能力。

（1）改進(jìn)方案中將原系統(tǒng)中的Ф620冷卻風(fēng)扇替換為Ф640冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇額定工況下的工作轉(zhuǎn)速由原來(lái)的4800rpm提升為5000rpm。該措施能夠提升系統(tǒng)風(fēng)量12%。

（2）通過(guò)散熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)，去掉散熱器框架，增加散熱器的有效散熱面積，該措施將高低溫水散的散熱能力提升了29%。

（3）為避免低速大扭矩工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降對(duì)水泵流量的影響，系統(tǒng)采用電動(dòng)水泵;為了滿(mǎn)足不同行駛工況下系統(tǒng)風(fēng)量的精確調(diào)控，系統(tǒng)采用能夠無(wú)級(jí)調(diào)速的電動(dòng)風(fēng)扇。

散熱系統(tǒng)方案改進(jìn)后系統(tǒng)散熱能力大幅提高，為避免車(chē)輛平原工況出現(xiàn)過(guò)度冷卻的情況，亟須建立高效的散熱系統(tǒng)控制策略，保證車(chē)輛平原以及高原工況下的高效工作。

3 基于DOE的高原環(huán)境散熱系統(tǒng)控制策略建模仿真研究

根據(jù)改進(jìn)后系統(tǒng)方案，在GT平臺(tái)下建立如圖2所示的車(chē)輛散熱系統(tǒng)一維仿真模型。高原工況下由于環(huán)境壓力和大氣密度的大幅下降，導(dǎo)致散熱器換熱能力下降，尤其在最大扭矩點(diǎn)時(shí)，一方面系統(tǒng)散熱量大，另一方面受發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速影響水泵的轉(zhuǎn)速小，流量低，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的散熱能力，因此控制策略仿真研究中將水泵換為能夠調(diào)速的電動(dòng)水泵，將風(fēng)扇換為能夠調(diào)速的電動(dòng)風(fēng)扇。在不同使用工況下，隨外界環(huán)境溫度和海拔高度的變化調(diào)節(jié)水泵流量和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，滿(mǎn)足不同行駛工況下車(chē)輛的散熱需求。

圖2 散熱系統(tǒng)一維GT仿真模型

控制策略研究過(guò)程中，首先應(yīng)用DOE方法獲得不同海拔高度和環(huán)境溫度情況下，以散熱系統(tǒng)最小功耗和目標(biāo)溫度控制的為目標(biāo)的最優(yōu)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和最優(yōu)水泵轉(zhuǎn)速。在執(zhí)行DOE過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)空間的均勻采樣，采用拉丁超立方采樣方法，該方法可使試驗(yàn)點(diǎn)具有很好的空間填充性和均衡性[6]。圖3所示為基于海拔高度和外界環(huán)境溫度的DOE工況設(shè)計(jì)。根據(jù)DOE多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果建立基于MAP圖的控制模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)控制模型，實(shí)現(xiàn)不同海拔高度和環(huán)境溫度下風(fēng)扇和水泵的優(yōu)化控制。圖4所示為基于DOE多目標(biāo)優(yōu)化的MAP圖控制模型，圖5所示為基于DOE多目標(biāo)優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型。最后建立如圖6所示的時(shí)間與海拔高度和環(huán)境溫度相關(guān)的設(shè)計(jì)工況，研究基于DOE多目標(biāo)優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型的有效性。

4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)散熱系統(tǒng)仿真可得，應(yīng)用散熱控制策略前，平原工況下外界環(huán)境溫度40℃時(shí)應(yīng)用改進(jìn)后的散熱系統(tǒng)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速5000rpm，額定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫為100℃;高原4500m環(huán)境溫度20℃工況下應(yīng)用改進(jìn)后的散熱系統(tǒng)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速5000rpm，額定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫在外界時(shí)為105℃。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的散熱系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足車(chē)輛高原工況的使用要求，但其在平原地區(qū)使用時(shí)散熱裕度過(guò)大。

圖3 基于海拔高度和外界環(huán)境溫度的DOE工況設(shè)計(jì)

圖4 基于DOE多目標(biāo)優(yōu)化的MAP圖控制模型

圖5 基于DOE多目標(biāo)優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型

基于設(shè)計(jì)工況，進(jìn)行不同散熱控制策略仿真研究。仿真結(jié)果表明，應(yīng)用兩種控制策略后，改進(jìn)后的散熱系統(tǒng)均能夠很好地滿(mǎn)足車(chē)輛高原工況的使用要求，采用風(fēng)扇MAP控制策略后風(fēng)扇耗功比風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行情況下耗功減少約25.4%;采用風(fēng)扇Neural控制后風(fēng)扇耗功比風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行情況下耗功減少約25.9%，并且溫控效果更好。具體的設(shè)計(jì)工況下應(yīng)用不同控制策略的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度變化曲線如圖7所示。

圖6 控制模型校驗(yàn)設(shè)計(jì)工況

圖7 設(shè)計(jì)工況不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫變化

5 結(jié)論

（1）建立的基于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)控制策略均能滿(mǎn)足車(chē)輛平原以及高原工況的使用需求，應(yīng)用上述兩種控制策略后散熱系統(tǒng)耗功顯著下降。同時(shí)，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具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)。

（2）建立系統(tǒng)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(duì)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，進(jìn)而開(kāi)展散熱系統(tǒng)控制策略研究是一種高效快捷的散熱系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)方法。

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