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利用Simcenter STAR-CCM+進(jìn)行汽車駕駛循環(huán)工況熱管理仿真分析

2020-07-31 22:07:01·  來(lái)源：STAR CCM Online  作者：何安定  
　
通常，當(dāng)車輛在城市環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，總會(huì)碰到紅燈或者交通擁擠的情況，車輛一般會(huì)走走停停。如圖一所示的汽車駕駛循環(huán)工況，大部分時(shí)候車輛處在低速或者怠速狀態(tài)。
 
       通常，當(dāng)車輛在城市環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，總會(huì)碰到紅燈或者交通擁擠的情況，車輛一般會(huì)走走停停。如圖 一 所示的汽車駕駛循環(huán)工況，大部分時(shí)候車輛處在低速或者怠速狀態(tài)。當(dāng)車輛處于走走停停的狀態(tài)下，熱負(fù)荷增加，可能造成過(guò)熱，甚至更嚴(yán)重的熱負(fù)荷問(wèn)題，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)或者部件的失效往往都是發(fā)生在這樣的駕駛循環(huán)工況條件下。如果不在設(shè)計(jì)的早期進(jìn)行很好的分析預(yù)測(cè)，一旦設(shè)計(jì)將要完成時(shí)，解決該問(wèn)題是非常困難和昂貴的。
 
圖一 汽車駕駛循環(huán)工況
一般來(lái)說(shuō)，在高速行駛工況下，我們一般關(guān)心的是車輛的風(fēng)阻問(wèn)題。通過(guò)減少前端進(jìn)氣，盡量降低車輛的風(fēng)阻，有利于獲得很好的燃油經(jīng)濟(jì)性，如圖二所示。然而，在低速工況下，由于前端進(jìn)氣量的減少會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱帶來(lái)很大挑戰(zhàn)，如圖三所示。如何平衡車輛在不同駕駛工況時(shí)的需求顯得尤為重要。
 
圖二 高速行駛工況
 
圖三 低速爬坡工況
在過(guò)去，很多公司的熱管理工程師都是采用一維的模型來(lái)進(jìn)行熱管理評(píng)估。但這樣的過(guò)度簡(jiǎn)化往往無(wú)法準(zhǔn)確了解發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各部件的準(zhǔn)確散熱情況和極限溫度，因此會(huì)誤導(dǎo)車輛的熱管理設(shè)計(jì)。但在全三維瞬態(tài)的完整駕駛循環(huán)工況中，往往計(jì)算工作量巨大，需要很長(zhǎng)的模擬時(shí)間。造成這樣狀況的一個(gè)重要原因是流體流動(dòng)的時(shí)間步長(zhǎng)和固體傳熱的時(shí)間步長(zhǎng)往往差了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，流動(dòng)變化很快，而傳熱速度很慢。如果采用統(tǒng)一的計(jì)算模型，時(shí)間步長(zhǎng)就需要設(shè)置很小，計(jì)算量就會(huì)成倍增加。
Simcenter STAR-CCM+軟件采用Co-Simulation功能很好地幫助客戶解決了這一棘手問(wèn)題。我們可以把計(jì)算域中的流體域和固體域分開到兩個(gè)STAR-CCM+計(jì)算模型中，利用Co-Simulation功能把這兩個(gè)模型實(shí)時(shí)連結(jié)起來(lái)進(jìn)行耦合計(jì)算。分別采用不同的時(shí)間步長(zhǎng)，甚至在某些時(shí)候流體可以采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算。這樣就可以大大加快計(jì)算速度。如圖四所示。
 
圖四 利用Co-simulation功能進(jìn)行汽車駕駛循環(huán)工況分析
  下面的視頻是國(guó)外某著名汽車OEM廠商利用Simcenter STAR-CCM+軟件進(jìn)行的完整汽車駕駛循環(huán)工況的仿真分析，所有這些分析結(jié)果的后處理展示及視頻制作也是在Simcenter STAR-CCM+軟件中進(jìn)行的。
 
 
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