环境压力对整车冷却热害性能的影响

高原环境的空气压力、温度和密度等变化，对整车冷却热害性能产生一定影响。高原试验所处环境复杂，环境条件恶劣，排放恶化，试验状态不稳定，且高原环境下冷却热害的试验数据比较匮乏。故我司选定某车型，在高海拔环境模拟试验室进行试验，该试验只改变环境压力参数进行试验对比。并以相同的试验工况数据作为输入条件，搭建整车热害仿真模型进行仿真计算。

1 高海拔冷却热害性能试验

1.1 试验准备

a. 高海拔环境模拟试验室：实现海拔高度0m-5000m，温度-30℃~ 45℃范围内的自然环境模拟，具备全光谱阳光模拟系统，是国内功能最全，技术指标最高的高海拔环境模拟系统，如 1 图所示。

b. K 型温度传感器若干。用来监测重点关注的零部件表面温度以及前端散热模块前进风风温。

c. 铠装热电耦温度传感器若干。用来监测热源表面（排气系统）以及尾排温度。

d. 数据采集器。通过数据采集器对试验过程中的温度进行数据采集。

1.2 试验条件

1.3 试验数据处理

1.3.1 低速爬坡工况

各测点数据表明，低压环境下热源表面与零部件表面温度均高于常压环境，其中，热源表面温度相差 15℃左右，零部件表面温度相差 10℃左右，数据如图 2 所示。

ECU 数据表明，不同环境压力下发动机扭矩、进气温度、发动机转速以及燃油消耗率变化不明显，只有发动机水温以及发动机进气量差异值相对其他监测量变化较大，数据如图 3 所示。

1.3.2 高速行驶工况

各测点数据同样也是低压环境下的温度值均高于常压环境，ECU 数据也同低速爬坡工况，除发动机水温和发动机进气量变化明显之外，其余监测量无明显的变化，数据如图 4、图 5 所示。

2 整车热害仿真分析

2.1 整车模型搭建

2.1.1 热平衡模型搭建

对整车几何模型进行处理，搭建热平衡模型并根据标准网格尺寸进行整车面网格划分，并依据整车加密域和面网格的边界条件进行体网格设置，如图 6 所示。

2.1.2 边界条件

整理整车相关试验数据，作为低压环境下仿真模型输入的边界条件，数据如表 2 所示：

2.2 整车热害仿真模型搭建

2.2.1 输入参数

注：除上述表格材料属性外，还需要输入整车其他所有材料属性，并且定义对流参数、辐射空间和边界接触等参数。

2.2.2 耦合计算

为考虑到公司虚拟验证的软件资源，采用Starccm+模型与 Theseus-FE 模型耦合计算，Starccm+与 Theseus-FE 耦合计算的优势在于模型搭建简单、分析周期短、仿真精度高。

耦合模式如图 7 所示。在 Star-ccm+中建立整车流场，Theseus-FE 中建立整车热场模型前者迭代完成后将流场数据传递给后者，后者完成再将热场数据传回给前者，重复计算，直至模型收敛，得到整车的温度场。

2.2.3 计算结果

图 8 为低压环境底盘温度示意图

图 9 为常压环境底盘温度示意图

图 10 为不同环境压力下，热源表面以及零部件表面相同网格节点的温度对比。

结合试验数据及仿真数据表明：在低压环境下发动机水温、热源表面以及零部件表面的温度均高于常压环境。

3 原因分析

3.1 发动机水温升高原因分析

发动机功率计算公式如下:

ECU 数据显示，不同环境压力下的发动机扭矩和转速的数据无明显变化，根据发动机功率公式计算得出发动机功率相同，而发动机燃油消耗率变化范围在试验误差范围内，故理论上发动机的发热量也是相同的。

发动机 30％的热量主要是通过散热器冷却散热，而散热器散热性能是由散热器的水侧与风侧散热性能共同组成。根据表 4 散热器进出水温度数据判断，散热器进出口温差值相同，证明散热器水侧的散热性能没有变化，进而推断散热器风侧散热性 能降低。

散热器风侧散热性能降低，主要是受风速、风温和风量的影响。在试验过程中，风速与车速同步，所以在不同的环境压力下，风速是相同的。表 5 为散热器前进风平均温度，低压环境下散热器前进风温度高于常压环境，但是温度变化程度比较小，在1~2℃之间波动。

从仿真模型中读取前端冷却模块的风量，表 5所示。数据显示低压环境下前端模块风量较常压环境降低 20％以上，数据详见表 6。

由上文可知风速 V 不变，A 为散热模块横截面 积，相同的散热模块面积相同，故风量变化只与空气密度相关。图 11、图 12 是不同环境压力下空气密度的截图，低压环境下空气密度在 0.95（kg/m³）左右，而常压环境下空气密度在 1.15（kg/m³）左右。

3.2 热源表面温度升高原因分析

以排气系统表面温度数据为例，低压环境下由于空气密度降低，导致流经排气表面的风量减少，引起排气周围空气温度升高。空气与排气系统之间对流换热带走的热量，对流换热计算公式所下：

因为空气温度 Tg 升高，对流换热带走热量 Q降低，导致排气系统表面剩余的热量增多，温度升 高。

3.3 零部件表面温度升高原因分析

1.由于周围热空气温度升高，零部件表面由于对流换热作用降低导致带走的热量减少，剩余的热量增多，零部件表面温度升高（同热源表面温度升高原理）。

2.由于热源表面温度升高，增强对零部件表面的热辐射，同样导致零部件表面温度升高。

4 结论

（1） 低压环境下发动机水温升高，主要是因为空气密度减小，导致前端散热模块的风量降低、风温升高，散热器风侧散热性能降低，导致发动机水温升高。

（2） 低压环境下热源表面和零部件表面温度升高，主要是因为空气密度减小，对流换热带走的热量降低，导致热源表面和零部件表面温度升高。