高原環(huán)境的空氣壓力、溫度和密度等變化，對整車冷卻熱害性能產(chǎn)生一定影響。高原試驗所處環(huán)境復雜，環(huán)境條件惡劣，排放惡化，試驗狀態(tài)不穩(wěn)定，且高原環(huán)境下冷卻熱害的試驗數(shù)據(jù)比較匱乏。故我司選定某車型，在高海拔環(huán)境模擬試驗室進行試驗，該試驗只改變環(huán)境壓力參數(shù)進行試驗對比。并以相同的試驗工況數(shù)據(jù)作為輸入條件，搭建整車熱害仿真模型進行仿真計算。

1 高海拔冷卻熱害性能試驗

1.1 試驗準備

a. 高海拔環(huán)境模擬試驗室：實現(xiàn)海拔高度0m-5000m，溫度-30℃~ 45℃范圍內(nèi)的自然環(huán)境模擬，具備全光譜陽光模擬系統(tǒng)，是國內(nèi)功能最全，技術指標最高的高海拔環(huán)境模擬系統(tǒng)，如 1 圖所示。

b. K 型溫度傳感器若干。用來監(jiān)測重點關注的零部件表面溫度以及前端散熱模塊前進風風溫。

c. 鎧裝熱電耦溫度傳感器若干。用來監(jiān)測熱源表面（排氣系統(tǒng)）以及尾排溫度。

d. 數(shù)據(jù)采集器。通過數(shù)據(jù)采集器對試驗過程中的溫度進行數(shù)據(jù)采集。

1.2 試驗條件

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理

1.3.1 低速爬坡工況

各測點數(shù)據(jù)表明，低壓環(huán)境下熱源表面與零部件表面溫度均高于常壓環(huán)境，其中，熱源表面溫度相差 15℃左右，零部件表面溫度相差 10℃左右，數(shù)據(jù)如圖 2 所示。

ECU 數(shù)據(jù)表明，不同環(huán)境壓力下發(fā)動機扭矩、進氣溫度、發(fā)動機轉速以及燃油消耗率變化不明顯，只有發(fā)動機水溫以及發(fā)動機進氣量差異值相對其他監(jiān)測量變化較大，數(shù)據(jù)如圖 3 所示。

1.3.2 高速行駛工況

各測點數(shù)據(jù)同樣也是低壓環(huán)境下的溫度值均高于常壓環(huán)境，ECU 數(shù)據(jù)也同低速爬坡工況，除發(fā)動機水溫和發(fā)動機進氣量變化明顯之外，其余監(jiān)測量無明顯的變化，數(shù)據(jù)如圖 4、圖 5 所示。

2 整車熱害仿真分析

2.1 整車模型搭建

2.1.1 熱平衡模型搭建

對整車幾何模型進行處理，搭建熱平衡模型并根據(jù)標準網(wǎng)格尺寸進行整車面網(wǎng)格劃分，并依據(jù)整車加密域和面網(wǎng)格的邊界條件進行體網(wǎng)格設置，如圖 6 所示。

2.1.2 邊界條件

整理整車相關試驗數(shù)據(jù)，作為低壓環(huán)境下仿真模型輸入的邊界條件，數(shù)據(jù)如表 2 所示：

2.2 整車熱害仿真模型搭建

2.2.1 輸入?yún)?shù)

注：除上述表格材料屬性外，還需要輸入整車其他所有材料屬性，并且定義對流參數(shù)、輻射空間和邊界接觸等參數(shù)。

2.2.2 耦合計算

為考慮到公司虛擬驗證的軟件資源，采用Starccm+模型與 Theseus-FE 模型耦合計算，Starccm+與 Theseus-FE 耦合計算的優(yōu)勢在于模型搭建簡單、分析周期短、仿真精度高。

耦合模式如圖 7 所示。在 Star-ccm+中建立整車流場，Theseus-FE 中建立整車熱場模型前者迭代完成后將流場數(shù)據(jù)傳遞給后者，后者完成再將熱場數(shù)據(jù)傳回給前者，重復計算，直至模型收斂，得到整車的溫度場。

2.2.3 計算結果

圖 8 為低壓環(huán)境底盤溫度示意圖

圖 9 為常壓環(huán)境底盤溫度示意圖

圖 10 為不同環(huán)境壓力下，熱源表面以及零部件表面相同網(wǎng)格節(jié)點的溫度對比。

結合試驗數(shù)據(jù)及仿真數(shù)據(jù)表明：在低壓環(huán)境下發(fā)動機水溫、熱源表面以及零部件表面的溫度均高于常壓環(huán)境。

3 原因分析

3.1 發(fā)動機水溫升高原因分析

發(fā)動機功率計算公式如下:

ECU 數(shù)據(jù)顯示，不同環(huán)境壓力下的發(fā)動機扭矩和轉速的數(shù)據(jù)無明顯變化，根據(jù)發(fā)動機功率公式計算得出發(fā)動機功率相同，而發(fā)動機燃油消耗率變化范圍在試驗誤差范圍內(nèi)，故理論上發(fā)動機的發(fā)熱量也是相同的。

發(fā)動機 30％的熱量主要是通過散熱器冷卻散熱，而散熱器散熱性能是由散熱器的水側與風側散熱性能共同組成。根據(jù)表 4 散熱器進出水溫度數(shù)據(jù)判斷，散熱器進出口溫差值相同，證明散熱器水側的散熱性能沒有變化，進而推斷散熱器風側散熱性 能降低。

散熱器風側散熱性能降低，主要是受風速、風溫和風量的影響。在試驗過程中，風速與車速同步，所以在不同的環(huán)境壓力下，風速是相同的。表 5 為散熱器前進風平均溫度，低壓環(huán)境下散熱器前進風溫度高于常壓環(huán)境，但是溫度變化程度比較小，在1~2℃之間波動。

從仿真模型中讀取前端冷卻模塊的風量，表 5所示。數(shù)據(jù)顯示低壓環(huán)境下前端模塊風量較常壓環(huán)境降低 20％以上，數(shù)據(jù)詳見表 6。

由上文可知風速 V 不變，A 為散熱模塊橫截面 積，相同的散熱模塊面積相同，故風量變化只與空氣密度相關。圖 11、圖 12 是不同環(huán)境壓力下空氣密度的截圖，低壓環(huán)境下空氣密度在 0.95（kg/m3）左右，而常壓環(huán)境下空氣密度在 1.15（kg/m3）左右。

3.2 熱源表面溫度升高原因分析

以排氣系統(tǒng)表面溫度數(shù)據(jù)為例，低壓環(huán)境下由于空氣密度降低，導致流經(jīng)排氣表面的風量減少，引起排氣周圍空氣溫度升高?？諝馀c排氣系統(tǒng)之間對流換熱帶走的熱量，對流換熱計算公式所下：

因為空氣溫度 Tg 升高，對流換熱帶走熱量 Q降低，導致排氣系統(tǒng)表面剩余的熱量增多，溫度升 高。

3.3 零部件表面溫度升高原因分析

1.由于周圍熱空氣溫度升高，零部件表面由于對流換熱作用降低導致帶走的熱量減少，剩余的熱量增多，零部件表面溫度升高（同熱源表面溫度升高原理）。

2.由于熱源表面溫度升高，增強對零部件表面的熱輻射，同樣導致零部件表面溫度升高。

4 結論

（1） 低壓環(huán)境下發(fā)動機水溫升高，主要是因為空氣密度減小，導致前端散熱模塊的風量降低、風溫升高，散熱器風側散熱性能降低，導致發(fā)動機水溫升高。

（2） 低壓環(huán)境下熱源表面和零部件表面溫度升高，主要是因為空氣密度減小，對流換熱帶走的熱量降低，導致熱源表面和零部件表面溫度升高。