對于今天的工程師來說，利用多種工具的能力對于保持競爭力至關(guān)重要。日益嚴格的法規(guī)和不斷增加的原型成本意味著預(yù)測分析現(xiàn)在比以往任何時候都更加重要。

在當今快節(jié)奏變化的環(huán)境中，工程師需要找到最優(yōu)化的開發(fā)時間和成本的方法，同時又能最大限度地提高產(chǎn)品性能和可靠性，1D/CFD聯(lián)合仿真技術(shù)是實現(xiàn)這一目標的一種重要方法和途徑。

1、1D/CFD聯(lián)合仿真工作原理

使用1D/CFD聯(lián)合仿真具有許多優(yōu)點，仿真分析中，單獨應(yīng)用一種工具時可能會造成某些信息的缺失，而1D和CFD仿真可以有效的進行相互補充。這種技術(shù)可以幫助工程師實現(xiàn)更復(fù)雜、更真實的模擬。

通常，1D仿真速度非?？?。然而，為了達到這一速度，1D仿真做出了許多假設(shè)，例如沒有考慮詳細幾何的影響。相反，CFD仿真可以考慮更多的細節(jié)和精度。但是，使用CFD仿真在模擬一個完整的系統(tǒng)時，其計算成本往往會非常昂貴。

通過結(jié)合這兩種方法，工程師既可以利用CFD仿真提供的高詳細度、全面的模型，同時又可以享受1D仿真帶來的速度提升。

1.1  常見的工程挑戰(zhàn)

開發(fā)新產(chǎn)品的公司通常面臨兩類挑戰(zhàn)：一是工程和設(shè)計；二是業(yè)務(wù)相關(guān)因素，例如上市時間和產(chǎn)品開發(fā)成本。我們的客戶經(jīng)常問自己這樣的問題：

• “我如何提前決策以避免開發(fā)生命周期后期出現(xiàn)問題？”

• “如何減少開發(fā)時間和成本？”

•  “我如何設(shè)計和虛擬驗證一個完整的系統(tǒng)，而不僅僅是組件？”

  
  

在這篇文章中，我們將分享一些使用1D/CFD聯(lián)合仿真技術(shù)應(yīng)對以上挑戰(zhàn)的案例。

2、1D/CFD聯(lián)合仿真在車輛行業(yè)應(yīng)用

汽車座艙舒適性和車輛熱管理是使用1D/CFD聯(lián)合仿真對開發(fā)時間和成本產(chǎn)生重大影響的兩個領(lǐng)域。

2.1  供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)HVAC

汽車制造商為客戶改善座艙舒適度的一種方法是優(yōu)化HVAC系統(tǒng)。利用1D/CFD聯(lián)合仿真對HVAC特別有效，因為它允許對系統(tǒng)進行完整的表征，同時最大限度地減少物理測試并縮短產(chǎn)品的開發(fā)生命周期。

2.1.1 捷豹路虎案例

捷豹路虎（JLR）是一家專門使用仿真設(shè)計HVAC的公司。在對車輛座艙進行建模時，大多數(shù)仿真可能只關(guān)注流體域。然而對于高保真仿真需要對座艙內(nèi)的空氣和部件進行建模。這包括各種各樣的部件，包括儀表板中的電子設(shè)備以及座艙中的玻璃和鑲板。JLR在Simcenter STAR-CCM+中使用CFD仿真來捕獲熱流行為。

通過這些仿真，JLR能夠顯著改善車輛的座艙舒適性。該團隊還縮短了開發(fā)時間，減少了物理測試，提高了HVAC系統(tǒng)性能。

2.1.2   1D/CFD聯(lián)合仿真應(yīng)用

雖然CFD仿真提供了更詳細的模擬，但通過Simcenter Amesim進行的一維仿真可以消除對制冷回路進行詳細建模的需要，特別是對于不是重點關(guān)注的區(qū)域。而這些區(qū)域通常涉及復(fù)雜的相變，計算成本高昂。工程師可以使用CFD仿真來校準和驗證1D系統(tǒng)分析。

通過將Simcenter STAR-CCM+中的CFD仿真與Simcenter Amesim中的1D仿真相結(jié)合，西門子Simcenter工程咨詢服務(wù)團隊能夠在幾天內(nèi)完成一個從CAD到后處理的仿真過程，這是對以前方法的重大改進。更快的過程意味著更多的設(shè)計探索，這將產(chǎn)生更有效的設(shè)計，在生產(chǎn)前識別和解決問題，對設(shè)計更新進行驗證和確認。

2.2  機艙熱流仿真

提高產(chǎn)品的能效是許多汽車制造商的一個重要關(guān)注點。在車輛開發(fā)過程中，能效最重要的性能指標之一是機艙內(nèi)冷卻部件分布。對進入發(fā)動機艙的前部氣流的管理對于確保冷卻系統(tǒng)正常工作至關(guān)重要。它直接影響發(fā)動機性能、冷卻能力和乘客熱舒適性。

公司在啟動新車計劃時可以有幾十種格柵和熱交換器配置。對每個可能的配置進行物理測試將非常昂貴和耗時。對于工程師來說，更好的選擇是通過仿真來評估不同的設(shè)計，甚至將機艙的熱分析與座艙舒適性仿真相結(jié)合。這提供了車輛性能的更完整視圖，可以替代一些測試和原型設(shè)計。

2.3  機艙熱管理

合適的前端氣流的一個關(guān)鍵指標是，在最惡劣的負載條件下，將機艙內(nèi)部件的峰值和平均溫度保持在材料極限范圍內(nèi)。

在下面的案例研究中，西門子Simcenter工程咨詢服務(wù)團隊模擬了新的歐洲行駛循環(huán)（NEDC），重點關(guān)注了冷卻液回路。

西門子Simcenter工程咨詢服務(wù)團隊在Simcenter Amesim中構(gòu)建了一個1D系統(tǒng)模型。它包括從散熱器出口回到進口的冷卻液回路，包含所有的泵和閥門。由于三維模型的發(fā)動機內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)不可用，一維模擬提供了一種有效的方法來提高模型保真度并保持計算速度。利用1D系統(tǒng)模型，Simcenter工程咨詢團隊仍然合理的對氣缸的冷卻套和熱輸入進行了模擬。

接著西門子Simcenter工程咨詢服務(wù)團隊使用Simcenter STAR-CCM+對車輛的其余部分進行了CFD建模，從而能夠探索散熱器的設(shè)計空間以及車輛前端格柵和管道的有效性。他們將NEDC的瞬態(tài)邊界條件應(yīng)用于一維和三維模型，包括車速、入口速度、泵速曲線和車輪轉(zhuǎn)速。

在運行NEDC工況時，西門子Simcenter工程咨詢服務(wù)團隊監(jiān)控了幾個關(guān)鍵區(qū)域，包括散熱器頂部水箱的溫度。散熱器頂部水箱溫度是設(shè)計冷卻系統(tǒng)時的一個重要參數(shù)，因為它提供了有關(guān)系統(tǒng)在各種負載條件下如何運行的信息。計算冷卻液溫度演變需要準確的散熱器壓降計算和局部熱交換，以確保有足夠的流量來維持關(guān)鍵發(fā)動機零件在適當溫度。通過使用CFD模型，工程師能夠監(jiān)控系統(tǒng)性能，并預(yù)測各種負載條件下整車的溫度分布。

2.3.1 結(jié)果

散熱器的入口和出口參數(shù)在1D和CFD模型之間每1秒交換一次，總仿真時間為1180秒。此外在每個循環(huán)期間會監(jiān)測CFD模型的收斂情況。相比之前，1D/CFD聯(lián)合仿真方法使得計算時間有了巨大的提升。

3、Simcenter客戶在數(shù)字化領(lǐng)域領(lǐng)先

汽車行業(yè)正處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型期。無法或不愿相應(yīng)調(diào)整組織和流程的公司將被整個行業(yè)遠遠的甩在后面。

3.1  戴姆勒

戴姆勒是引領(lǐng)行業(yè)變革步伐的領(lǐng)先原始設(shè)備制造商之一。僅在2015年，戴姆勒的汽車數(shù)量就增長了15%以上，而利潤增長了10%以上。盈利能力的提高部分是由戴姆勒對數(shù)字化投資推動的。該公司已將其開發(fā)過程從構(gòu)建多個物理原型和測試階段過渡到僅在最后構(gòu)建一個物理原型進行驗證和確認。

戴姆勒的成功部分歸功于其對數(shù)字化的投資。

戴姆勒向數(shù)字化過渡的一部分是由其與西門子Simcenter工程咨詢服務(wù)團隊的合作推動的。在西門子Simcenter工程咨詢服務(wù)團隊的支持下，戴姆勒已經(jīng)能夠研發(fā)最先進的熱模型。在該模型中，數(shù)千個部件在不同的負載條件下通過虛擬環(huán)境進行峰值溫度測試。這使得在制造第一個原型之前可以防止熱故障。

如今，西門子Simcenter工程咨詢服務(wù)團隊繼續(xù)支持熱防護的開發(fā)，以增加部件和驅(qū)動循環(huán)的細節(jié)設(shè)計，同時縮短建模和計算時間，幫助戴姆勒保持其在熱防護方面的領(lǐng)先地位。

3.2  三菱汽車

三菱汽車研發(fā)中心車輛功能測試部的熱和流體動力工程開發(fā)小組主要從事與冷卻性能、耐熱性和空調(diào)相關(guān)的開發(fā)。包括兩個方面：第一個是在車輛制造前的設(shè)計階段使用CAE預(yù)測性能，第二是在車輛生產(chǎn)后進行物理測試。

三菱汽車公司（Mitsubishi Motors Corporation）使用1D/CFD聯(lián)合仿真來改善電動汽車的電池性能

該小組利用CFD仿真來預(yù)測發(fā)動機艙的冷卻、通過熱交換器的氣流以及發(fā)動機艙中零件的熱損壞。使用1D工具模擬冷卻液、發(fā)動機機油和變速箱溫度。

該團隊最近與西門子Simcenter工程咨詢服務(wù)團隊合作，以提高電動汽車的電池性能。他們使用Simcenter STAR-CCM+來改善冷卻性能，開發(fā)設(shè)計探索方法，并更好地理解分析結(jié)果。由于這種合作關(guān)系，三菱汽車公司在電池設(shè)計方面取得了重大改進，并獲得了寶貴的仿真技術(shù)和知識。

西門子Simcenter工程咨詢服務(wù)團隊為客戶帶來了最佳實踐、工作流效率和行業(yè)專業(yè)知識，使用1D/CFD協(xié)同仿真技術(shù)可以幫助用戶解決最棘手的工程難題。