明導(dǎo)：設(shè)計一個復(fù)雜的汽車冷卻系統(tǒng)

Mentor Graphics(明導(dǎo))近日發(fā)布一份題為《設(shè)計一個復(fù)雜的汽車冷卻系統(tǒng)》的研究報告，介紹了明導(dǎo)電子最近推出的一個有效結(jié)合和利用一維 CFD 工具 Flowmaster® 和三維工具 FloEFD® 特長的解決方案，如何為復(fù)雜的汽車冷卻系統(tǒng)工作。

本文作者明導(dǎo)電子機械分析部門 John Isaac

前言

在當今的汽車領(lǐng)域，許多系統(tǒng)和零部件在設(shè)計過程中都需要進行計算流體力學(xué) (CFD) 分析來確保其最佳的性能、可靠性、成本和上市時間。這些系統(tǒng)和零部件有可能是結(jié)構(gòu)件，也有可能是電子元件，或者兩者皆是。CFD 分析是系統(tǒng)設(shè)計的三大方法之一。在設(shè)計早期和整個設(shè)計過程中將“虛擬樣機”結(jié)合 CFD 分析，能以較低的成本(更少物理樣機)提供最優(yōu)化的系統(tǒng)，并讓系統(tǒng)更快上市。

復(fù)雜汽車系統(tǒng)中非常有代表性的例子是發(fā)動機和潤滑油冷卻系統(tǒng)。說它復(fù)雜是因為它不僅包含冷卻液輸送管道系統(tǒng)，還包含能真正使發(fā)動機冷卻的發(fā)動機冷卻水套等零部件。以下對這一設(shè)計過程能如何進展以及 CFD 工具如何用于優(yōu)化這一系統(tǒng)進行了探討。

關(guān)鍵的工具選擇

假設(shè)我們?yōu)橐患艺陂_發(fā)新汽車模型的汽車公司工作，但我們希望使用經(jīng)過多年驗證的可靠發(fā)動機。我們必須設(shè)計一種新的冷卻系統(tǒng)，它將使用這種發(fā)動機，但要求發(fā)動機和車廂具備新的管道系統(tǒng)。我有兩種 CFD 分析工具，其中一種能用于分析管道系統(tǒng)，可視為一維(指流體在冷卻液管道中單向流動)分析。另一種三維工具能分析復(fù)雜流體流動和熱交換的零部件。所要設(shè)計的系統(tǒng)明顯是一維管道系統(tǒng)和三維復(fù)雜零部件的結(jié)合，我該用哪種 CFD 工具來分析這個系統(tǒng)呢?

仿真分析一維工具明顯比三維工具快得多，但在模擬復(fù)雜的水套時準確度不夠。但如果我們只使用三維 CFD 工具來分析整個系統(tǒng)，我們可以得到我們需要的準確結(jié)果，但仿真計算時間將會太長，從而不能實現(xiàn)利用數(shù)種設(shè)計方法進行虛擬實驗的目的。最好的方法還是整合一維和三維工具以及利用二者特長。

一維-三維 CFD

明導(dǎo)電子最近宣布推出一個有效結(jié)合和利用一維 CFD 工具 Flowmaster® 和三維工具 FloEFD® 特長的解決方案。圖2說明了這一結(jié)合了一維和三維的解決方案如何為該例汽車冷卻系統(tǒng)工作。

結(jié)合一維和三維的 CFD 取兩者之長，使分析兼具速度和準確性

最初，冷卻系統(tǒng)設(shè)計師定義了可穿過水套的壓力和流動速率等一系列邊界條件。他們通過了解待設(shè)計汽車的常見駕駛情境以及將如何關(guān)聯(lián)到發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速 (RPM) 和水泵性能來確定這些數(shù)值。

發(fā)動機/水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計師使用 MCAD 系統(tǒng)內(nèi)嵌的 FloEFD 工具，在水套上進行詳細的流體流動和熱交換分析。她根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計師提出的邊界值范圍建立了一套 FloEFD 分析。這可能需要通過三維分析運行30、40、甚至更多批模型。這些運行生成的數(shù)據(jù)自動擬合成詳細的特征圖，現(xiàn)在構(gòu)成一套完整的水套模型。模型中輸入了水套邊界條件，生成了冷卻液(和發(fā)動機)流動溫度。

該模型被簡單地嵌入 Flowmaster 工具相關(guān)數(shù)據(jù)庫。如今系統(tǒng)設(shè)計師能通過新汽車模型預(yù)期的系列駕駛情境來進行冷卻分析。冷卻系統(tǒng)中可加入設(shè)計變化，從而運行執(zhí)行分析。水套模型保持完好無缺，因為它涵蓋了所有可能的操作環(huán)境。

復(fù)雜零部件(水套)三維仿真的準確性結(jié)合一維冷卻系統(tǒng)分析的速度，將兩者最大優(yōu)點整合到一個系統(tǒng)中。有了分析速度，系統(tǒng)設(shè)計師能夠設(shè)計出在具有最佳性能的小帶寬運行的冷卻系統(tǒng)，溫度范圍可能在3-4攝氏度。若冷卻系統(tǒng)在超過該最佳范圍的溫度下運行，則可能導(dǎo)致過熱以及汽車制造商高額保修費用。在低于最佳溫度范圍的溫度下運行則可能導(dǎo)致過度排放和汽油里程數(shù)過少。

同樣的方法可用于其它汽車系統(tǒng)，如排氣裝置、燃油和車廂空調(diào)等。它還能用于軍事/航空等行業(yè)的燃油供應(yīng)和環(huán)境控制、化學(xué)加工、能源和公用事業(yè)等等。