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CN107748829A - 一种装甲车辆能耗散热装置传热计算方法及参数设计方法 - Google Patents

一种装甲车辆能耗散热装置传热计算方法及参数设计方法 Download PDF

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CN107748829A
CN107748829A CN201711105162.1A CN201711105162A CN107748829A CN 107748829 A CN107748829 A CN 107748829A CN 201711105162 A CN201711105162 A CN 201711105162A CN 107748829 A CN107748829 A CN 107748829A
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heat transfer
cooling medium
represent
flow
energy consumption
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孙晓霞
邵春鸣
吴玉峰
王国柱
高佳瑜
杨立宁
钟凤磊
杨乃锋
李玉刚
方文华
严明
牛丹华
李荣鹏
隗立国
王璐
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China North Vehicle Research Institute
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China North Vehicle Research Institute
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Abstract

本发明涉及一种装甲车辆能耗散热装置传热计算方法及参数设计方法，涉及装甲车辆能耗散热装置技术领域。本发明切实可行的提出一种基于传热学的简化物理模型的能耗散热装置传热计算理论模型，并从理论上计算相关温度、表面传热系数以及边界层厚度，为装甲车辆能耗散热装置的初始尺寸设计以及后续的工程应用方案提供了重要理论基础，进而设计了一种装甲车辆能耗散热装置传热参数设计方法。

Description

一种装甲车辆能耗散热装置传热计算方法及参数设计方法
技术领域
本发明涉及装甲车辆能耗散热装置技术领域，具体涉及一种装甲车辆能耗散热装置传热计算方法及参数设计方法。
背景技术
与传统车辆不同，混合动力车辆能够实现再生制动和能耗制动相结合的方式。利用再生制动，可以回收一部份原本被消耗于摩擦制动的制动能量以备驱动时使用，有利于延长混合动力车辆一次充电的续驶里程，提高车辆的能量利用效率，节约能源。另一方面，由于制动能量的一部份通过电机发电转变为了电能不能回收的电能可由制动电阻消耗，由摩擦制动器承担的能量耗散任务相应地减小，因此再生制动和能耗制动技术可以减轻制动器的热负荷，减少其磨损，提高车辆行使的安全性和使用的经济性。
传统的能耗制动多用于列车上，针对混合动力车辆能耗制动装置的设计尚缺乏完备的理论计算模型。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种装甲车辆能耗散热装置传热计算方法及参数设计方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种装甲车辆能耗散热装置传热计算方法，包括以下步骤：
包含下列步骤：
步骤1、构建装甲车辆能耗散热装置传热计算模型，传热计算模型包含下列参数：
l表示单根电阻片长度，w表示单根电阻片宽度，H表示单根电阻片厚度，G表示电阻片单元中的电阻片数，单根电阻片宽度，R表示电阻片组中电阻片单元的排数，L表示电阻片组总长度，S表示电阻片组总散热表面积，P表示电阻片组散热功率，q表示电阻片组的热流密度，qv表示冷却介质体积流量，qm表示冷却介质质量流量，Q表示能耗散热系统的散热量，ρ表示冷却介质的密度，cp表示冷却介质的定压比热容，Δta表示冷却介质的进出能耗散热装置的温升，T1表示冷却介质的进口温度，T2表示冷却介质的出口温度，tf表示冷却介质温度，uc表示冷却介质在能耗散热装置中的流速，Sin表示能耗散热装置的入口面积，ν表示冷却介质的运动粘度，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，Nul表示冷却介质流动的努塞尔数，Pr表示冷却介质流动的普朗特数，h表示对流传热表面传热系数，λ表示冷却介质的导热系数，tw表示电阻片表面温度，δl表示流动边界层厚度，δt表示热边界层厚度；
步骤2、计算传热计算模型中的热源数值；
步骤3、通过传热计算判定能耗散热装置内部的传热流动类型；
步骤4、根据不同流动类型，计算层流或者湍流情况下传热性能参数；
步骤5、构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度。
优选地，所述步骤2中，计算传热计算模型中的热源数值包括：
计算电阻片总长度：
L＝l×G×R
式中，l表示单根电阻片长度，G表示电阻片单元中的电阻片数，R表示电阻片组中电阻片单元的排数，L表示电阻片组总长度。
优选地，所述步骤2中计算传热计算模型中的热源数值包括：
计算电阻片组总散热表面积：
S＝(H+w)×2×L
式中，H表示单根电阻片厚度，w表示单根电阻片宽度，S表示电阻片组总散热表面积。
优选地，所述步骤2中，计算传热计算模型中的热源数值包括：
计算电阻片散热的热流密度：
q＝P/S
式中，P表示电阻片组散热功率，q表示电阻片组的热流密度。
优选地，步骤3中，通过传热计算判定能耗散热装置内部的传热流动类型包括：
计算冷却介质温升：
Δta＝(T2-T1)＝Q/(qm·cp)
式中，Q表示能耗散热系统的散热量，Δta表示冷却介质的进出能耗散热装置的温升，qm表示冷却介质质量流量，cp表示冷却介质的定压比热容，T1为冷却介质的进口温度，T2为冷却介质的出口温度。
优选地，步骤3中，通过传热计算判定能耗散热装置内部的传热流动类型包括：
计算冷却介质平均温度：
式中，T1表示冷却介质的进口温度，T2表示冷却介质的出口温度，tf表示冷却介质的平均温度。
优选地，步骤3中，通过传热计算判定能耗散热装置内部的传热流动类型包括：
计算冷却介质在能耗散热装置中的流速：
uc＝qv/Sin
式中，qv表示冷却介质体积流量，uc为冷却介质在能耗散热装置中的流速，Sin为能耗散热装置的入口面积。
优选地，步骤3中，通过传热计算判定能耗散热装置内部的传热流动类型包括：
计算流动过程的雷诺数，从而通过雷诺数判定能耗散热装置内部的传热流动类型为层流还是湍流：
式中，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，uc表示冷却介质在能耗散热装置中的流速，ν表示冷却介质的运动粘度，l表示单根电阻片长度。
优选地，步骤4中，根据不同流动类型，计算层流或者湍流情况下传热性能参数包括：
计算层流情况下的努塞尔数：
Nul＝0.664Rel 4/5Pr1/3
式中，Nul表示冷却介质流动的努塞尔数，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，Pr表示冷却介质流动的普朗特数；
计算湍流情况下的努塞尔数：
Nul＝0.0296Rel 4/5Pr1/3。
优选地，步骤5中，构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度包括：
计算对流传热表面传热系数：
式中，h表示对流传热表面传热系数，λ表示冷却介质的导热系数，Nul表示冷却介质流动的努塞尔数，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，l表示单根电阻片长度。
优选地，步骤5中，构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度包括：
计算能耗散热装置电阻片表面温度：
式中，tw表示电阻片表面温度，tf表示冷却介质温度，q表示电阻片组的热流密度，h表示对流传热表面传热系数。
优选地，步骤中5，构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度包括：
计算层流情况下的流动边界层厚度：
δl＝5lRel -1/2
式中，δl表示流动边界层厚度，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，l表示单根电阻片长度。
优选地，步骤5中，构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度包括：
计算湍流情况下的流动边界层厚度：
δl＝0.37lRel -1/5
式中，δl表示流动边界层厚度，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，l表示单根电阻片长度。
优选地，步骤5中，构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度包括：
计算热边界层厚度：
式中，δt表示热边界层厚度，δl表示流动边界层厚度，Pr表示冷却介质流动的普朗特数。
本发明还提供了一种利用所述的计算方法实现的装甲车辆能耗散热装置传热参数的设计方法，用步骤1至步骤5中计算得到的参数对装甲车辆能耗散热装置的传热参数进行设计。
(三)有益效果
本发明切实可行的提出一种基于传热学的简化物理模型的能耗散热装置传热计算理论模型，并从理论上计算相关温度、表面传热系数以及边界层厚度，为装甲车辆能耗散热装置的初始尺寸设计以及后续的工程应用方案提供了重要理论基础，进而设计了一种装甲车辆能耗散热装置传热参数设计方法。
附图说明
图1是本发明实施例中所使用方法的流程图；
图2是本发明中能耗散热装置实施例的计算流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1、图2所示，本发明公开了一种装甲车辆能耗散热装置传热计算方法，具体包括下列步骤：
步骤1、构建装甲车辆能耗散热装置传热计算模型，所述传热计算模型包含下列参数。l表示单根电阻片长度，w表示单根电阻片宽度，H表示单根电阻片厚度，G表示电阻片单元中的电阻片数，单根电阻片宽度，R表示电阻片组中电阻片单元的排数，L表示电阻片组总长度，S表示电阻片组总散热表面积，P表示电阻片组散热功率，q表示电阻片组的热流密度，qv表示冷却介质体积流量，qm表示冷却介质质量流量，Q表示能耗散热系统的散热量，ρ表示冷却介质的密度，cp表示冷却介质的定压比热容，Δta表示冷却介质的进出能耗散热装置的温升，T1表示冷却介质的进口温度，T2表示冷却介质的出口温度，tf表示冷却介质温度，uc表示冷却介质在能耗散热装置中的流速，Sin表示能耗散热装置的入口面积，ν表示冷却介质的运动粘度，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，Nul表示冷却介质流动的努塞尔数，Pr表示冷却介质流动的普朗特数，h表示对流传热表面传热系数，λ表示冷却介质的导热系数，tw表示电阻片表面温度，δl表示流动边界层厚度，δt表示热边界层厚度。
步骤2、计算传热计算模型中的热源数值。
步骤3、通过传热计算判定能耗散热装置内部的传热流动类型。
步骤4、根据不同流动类型，计算层流或者湍流情况下传热性能参数。
步骤5、构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度。
如上述步骤步骤1，能耗散热装置剖面图。能耗散热装置内的电阻片单元为一个个平行电阻片串联组成。冷却介质以强制流动方式流经电阻，并带走电阻工作时产生的热量。当电阻工作时，电阻通电发热。随着负荷的增加和时间的推进，电阻温度逐渐升高。同时电阻通过强制冷却向环境散热，在任一瞬时，电阻达到某一暂态平衡温度，电阻带的瞬态温度值取决于电或热负荷、表面散热能力、环境冷却介质温度以及电阻本身的结构和材料物性等因素的综合影响。
电阻散热相当于一个有内热源的导热问题。由于负荷变化，电阻内发热量也是瞬态变化的。评价忽略电阻片对冷却介质的辐射换热，电阻片的散热以通过冷却介质的强制对流换热为主。对流换热实际上是在热传导和热对流两种机理联合作用下发生的流体与固体表面之间的热量交换过程，条件是流体和壁面之间必须存在温差。可以将电阻的散热过程假设成外掠平板模型进行简化计算。
以冷却油为介质的能耗散热传热计算流程附图2。
如上述步骤2，计算电阻片总长度。
L＝l×G×R
式中，l表示单根电阻片长度，单位：m，G表示电阻片单元中的电阻片数，R表示电阻片组中电阻片单元的排数，L表示电阻片组总长度，单位：m。
计算电阻片组总散热表面积，计算如下式所示，
S＝(H+w)×2×L
式中，H表示单根电阻片厚度，单位：m，w表示单根电阻片宽度，单位：m，S表示电阻片组总散热表面积，单位：m2。
计算电阻片散热的热流密度，计算如下式所示，
q＝P/S
式中，P表示电阻片组散热功率，单位：W，q表示电阻片组的热流密度，单位：W/m2。
如上述步骤3、通过传热计算判定能耗散热装置内部的传热流动类型：
计算冷却油温升，计算如下式所示，
Δta＝(T2-T1)＝Q/(qm·cp)
式中，Q表示能耗散热系统的散热量，单位：W，Δta表示冷却油的进出能耗散热装置的温升，qm表示冷却油质量流量，单位kg/s，cp表示冷却油的定压比热容，单位：J/(kg·K)，T1为冷却油的进口温度，单位：K，T2为冷却油的出口温度，K。
计算冷却油平均温度，计算如下式所示，
式中，T1表示冷却油的进口温度，单位：K，T2表示冷却油的出口温度，单位：K，T3表示冷却油的平均温度，单位：K。
计算冷却油在能耗散热装置中的流速，计算如下式所示：
uc＝qv/Sin
式中，qv表示冷却油体积流量，单位：m3/s，uc为冷却油在能耗散热装置中的流速，单位：m/s，Sin为能耗散热装置的入口面积，单位：m2。
计算流动过程的雷诺数，从而通过雷诺数判定能耗散热装置内部的传热流动类型为层流，计算如下式所示，
式中，Rel表示冷却油流动的雷诺数，uc表示冷却油在能耗散热装置中的流速，单位：m3/s，ν表示冷却油的运动粘度，单位：m2/s，l表示单根电阻片长度，单位：m。
如所述步骤4、根据判定结果计算层流情况下传热性能参数：
计算层流情况下的努塞尔数，计算如下式所示，
Nul＝0.664Rel 4/5Pr1/3
式中，Nul表示冷却油流动的努塞尔数，Rel表示冷却油流动的雷诺数，Pr表示冷却油流动的普朗特数。
如所述步骤5、构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度：
计算对流传热表面传热系数，计算如下式所示，
式中，h表示对流传热表面传热系数，单位：W/(m2·K)，λ表示冷却油的导热系数，单位：W/(m.K)，Nul表示冷却油流动的努塞尔数，Rel表示冷却油流动的雷诺数，l表示单根电阻片长度，单位：m。
计算能耗散热装置电阻片表面温度，计算如下式所示，
式中，tw表示电阻片表面温度，单位：K，tf表示冷却油温度，单位：K，q表示电阻片组的热流密度，单位：W/m2，h表示对流传热表面传热系数，单位：W/(m2·K)。
计算层流情况下的流动边界层厚度，计算如下式所示，
δl＝5lRel -1/2
式中，δl表示流动边界层厚度，单位：m，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，l表示单根电阻片长度，单位：m。
计算湍流情况下的流动边界层厚度，计算如下式所示：
δl＝0.37lRel -1/5
式中，δl表示流动边界层厚度，单位：m，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，l表示单根电阻片长度，单位：m。
计算热边界层厚度，计算如下式所示，
式中，δt表示热边界层厚度，单位：m，δl表示流动边界层厚度，单位：m，Pr表示冷却油流动的普朗特数。
代入上述步骤中所计算的参数数值，通过计算机数值解法可以得到电阻表面温度，表面传热系数以及边界层厚度。
本发明还提供了一种利用所述的计算方法实现的装甲车辆能耗散热装置传热参数的设计方法，用步骤1至步骤5中计算得到的参数对装甲车辆能耗散热装置的传热参数进行设计。
综上所述，本发明切实可行的提出一种基于传热学的简化物理模型的能耗散热装置传热计算理论模型，并从理论上计算相关温度、表面传热系数以及边界层厚度，为装甲车辆能耗散热装置的初始尺寸设计以及后续的工程应用方案提供了重要理论基础。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种装甲车辆能耗散热装置传热计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
包含下列步骤：
步骤1、构建装甲车辆能耗散热装置传热计算模型，传热计算模型包含下列参数：
l表示单根电阻片长度，w表示单根电阻片宽度，H表示单根电阻片厚度，G表示电阻片单元中的电阻片数，单根电阻片宽度，R表示电阻片组中电阻片单元的排数，L表示电阻片组总长度，S表示电阻片组总散热表面积，P表示电阻片组散热功率，q表示电阻片组的热流密度，qv表示冷却介质体积流量，qm表示冷却介质质量流量，Q表示能耗散热系统的散热量，ρ表示冷却介质的密度，cp表示冷却介质的定压比热容，Δta表示冷却介质的进出能耗散热装置的温升，T1表示冷却介质的进口温度，T2表示冷却介质的出口温度，tf表示冷却介质温度，uc表示冷却介质在能耗散热装置中的流速，Sin表示能耗散热装置的入口面积，ν表示冷却介质的运动粘度，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，Nul表示冷却介质流动的努塞尔数，Pr表示冷却介质流动的普朗特数，h表示对流传热表面传热系数，λ表示冷却介质的导热系数，tw表示电阻片表面温度，δl表示流动边界层厚度，δt表示热边界层厚度；
步骤2、计算传热计算模型中的热源数值；
步骤3、通过传热计算判定能耗散热装置内部的传热流动类型；
步骤4、根据不同流动类型，计算层流或者湍流情况下传热性能参数；
步骤5、构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，计算传热计算模型中的热源数值包括：
计算电阻片总长度：
L＝l×G×R
式中，l表示单根电阻片长度，G表示电阻片单元中的电阻片数，R表示电阻片组中电阻片单元的排数，L表示电阻片组总长度；
计算电阻片组总散热表面积：
S＝(H+w)×2×L
式中，H表示单根电阻片厚度，w表示单根电阻片宽度，S表示电阻片组总散热表面积；
计算电阻片散热的热流密度：
q＝P/S
式中，P表示电阻片组散热功率，q表示电阻片组的热流密度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，通过传热计算判定能耗散热装置内部的传热流动类型包括：
计算冷却介质温升：
Δta＝(T2-T1)＝Q/(qm·cp)
式中，Q表示能耗散热系统的散热量，Δta表示冷却介质的进出能耗散热装置的温升，qm表示冷却介质质量流量，cp表示冷却介质的定压比热容，T1为冷却介质的进口温度，T2为冷却介质的出口温度；
计算冷却介质平均温度：
<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
式中，T1表示冷却介质的进口温度，T2表示冷却介质的出口温度，tf表示冷却介质的平均温度；
计算冷却介质在能耗散热装置中的流速：
uc＝qv/Sin
式中，qv表示冷却介质体积流量，uc为冷却介质在能耗散热装置中的流速，Sin为能耗散热装置的入口面积；
计算流动过程的雷诺数，从而通过雷诺数判定能耗散热装置内部的传热流动类型为层流还是湍流：
<mrow> <msub> <mi>Re</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>l</mi> </mrow> <mi>v</mi> </mfrac> </mrow>
式中，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，uc表示冷却介质在能耗散热装置中的流速，ν表示冷却介质的运动粘度，l表示单根电阻片长度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤4中，根据不同流动类型，计算层流或者湍流情况下传热性能参数包括：
计算层流情况下的努塞尔数：
Nul＝0.664Rel 4/5Pr1/3
式中，Nul表示冷却介质流动的努塞尔数，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，Pr表示冷却介质流动的普朗特数；
计算湍流情况下的努塞尔数：
Nul＝0.0296Rel 4/5Pr1/3。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5中，构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度包括：
计算对流传热表面传热系数：
<mrow> <mi>h</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;lambda;Nu</mi> <mi>l</mi> </msub> </mrow> <mi>l</mi> </mfrac> </mrow>
式中，h表示对流传热表面传热系数，λ表示冷却介质的导热系数，Nul表示冷却介质流动的努塞尔数，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，l表示单根电阻片长度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5中，构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度包括：
计算能耗散热装置电阻片表面温度：
<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>q</mi> <mi>h</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>f</mi> </msub> </mrow>
式中，tw表示电阻片表面温度，tf表示冷却介质温度，q表示电阻片组的热流密度，h表示对流传热表面传热系数。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤中5，构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度包括：
计算层流情况下的流动边界层厚度：
δl＝5lRel -1/2
式中，δl表示流动边界层厚度，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，l表示单根电阻片长度。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤5中，构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度包括：
计算湍流情况下的流动边界层厚度：
δl＝0.37lRel -1/5
式中，δl表示流动边界层厚度，Rel表示冷却介质流动的雷诺数，l表示单根电阻片长度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤5中，构建传热计算方程，求解相关温度、表面传热系数以及边界层厚度包括：
计算热边界层厚度：
<mrow> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mi>l</mi> </msub> <msup> <mi>Pr</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>3</mn> </mfrac> </mrow> </msup> </mrow>
式中，δt表示热边界层厚度，δl表示流动边界层厚度，Pr表示冷却介质流动的普朗特数。
10.一种利用权利要求1至9中任一项所述的计算方法实现的装甲车辆能耗散热装置传热参数的设计方法，其特征在于，用步骤1至步骤5中计算得到的参数对装甲车辆能耗散热装置的传热参数进行设计。
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