前言

傳統(tǒng)上，暖通空調(diào)機(jī)的功能只是為了滿足基本的艙內(nèi)升溫降溫需求以在特定時(shí)期設(shè)定溫度。今天，尤其是在新能源汽車上高效節(jié)能是我們研發(fā)的重點(diǎn)，關(guān)鍵是要兼顧考慮乘客的舒適度而不是簡單的客艙溫度。這就需要結(jié)合加熱座椅，散熱器加熱器等和能耗相關(guān)的部件綜合考慮舒適性問題。 

01、三維乘員艙熱分析 

在設(shè)計(jì)基于乘客舒適度的客艙暖通空調(diào)時(shí)，分析人員需要考慮車內(nèi)所有的熱傳遞。這包括捕捉太陽輻射的影響、移動/靜止的車輛、通過車輛外部進(jìn)來熱量傳遞、座椅加熱器、方向盤加熱、輻射加熱器和乘客產(chǎn)生的熱量。所有這些都需要與來自HVAC系統(tǒng)的氣流的做熱傳遞過程。  

 我們希望通關(guān)三維流體方法來捕獲艙內(nèi)的所有傳熱路徑，從而分析預(yù)測乘員的熱舒適性或者空調(diào)的制冷制熱能力。利用STAR-CCM+中的3D模型整理艙內(nèi)模型，通常需要建模關(guān)鍵的實(shí)體部件和艙內(nèi)的空氣環(huán)境來組成CHT模型。模型需要考慮三種傳熱模式——傳導(dǎo)、對流和輻射(S2S和太陽能)。我們可以在STAR-CCM軟件工具中捕獲所需的所有物理特性，包括傳熱輻射級流體的固體等一切分析所需的參數(shù)。一旦仿真模型設(shè)置好，我們就可以基于不同的工況進(jìn)行快速設(shè)計(jì)研究，通過優(yōu)化分析減少管道中的壓力損失，或幫助優(yōu)化HVAC管道通風(fēng)口的位置等。 

客艙三維流體仿真建模方法多種多樣，最準(zhǔn)確的是模擬固體從內(nèi)部到外部的傳導(dǎo)。完整的3D CHT模型確實(shí)需要相當(dāng)成熟的車輛設(shè)計(jì)。雖然精度更高，但由于同時(shí)求解外部流和內(nèi)部流，也增加了模型建模的復(fù)雜性，增加了仿真時(shí)間。 

02、一維乘員艙熱分析  

高保真的CFD模型具有很高的預(yù)測性，但計(jì)算量非常大，不適合控制開發(fā)。對于控制開發(fā)，理想的答案應(yīng)該是接近實(shí)時(shí)的，也就是一維系統(tǒng)級分析，能夠查看確定能源管理所需的長驅(qū)動周期。一維系統(tǒng)分析可以考慮空調(diào)不同開啟模式等各種瞬態(tài)復(fù)雜工況的性能，同時(shí)具有各種類型的熱交換器(翅片管/釬焊板)，壓縮機(jī)(固定和可變位移)和膨脹裝置的現(xiàn)成組件，可以考慮熱泵，壓縮機(jī)，HVAC 及風(fēng)機(jī)等相關(guān)部件在系統(tǒng)環(huán)境下的性能，同時(shí)支持各種類型的暖通空調(diào)制冷劑。特別是需要考慮循環(huán)工況的分析時(shí)一維能快速得到預(yù)測結(jié)果，并快速優(yōu)化相關(guān)量找到合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，這在設(shè)計(jì)初期定義重要參數(shù)和整車架構(gòu)方向階段非常高效。 

03、基于ROM方法的乘員艙熱分析 

一維系統(tǒng)分析的局限性在于無法獲得詳細(xì)的三維的流場壓力等場信息以及關(guān)鍵位置點(diǎn)的溫度速度等空間上的數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)周期的后期我們更希望獲得全面的分析與預(yù)測，因此我們采用了基于ROM方法的一維和三維耦合的方式來兼顧精度和速度。利用Simcenter ROM builder直接連接一維和三維兩個(gè)系統(tǒng)，利用ROM模型得到三維的熱和流場數(shù)據(jù)的代理模型，再耦合一維模型做基于瞬態(tài)模型且實(shí)時(shí)快速預(yù)測不同工況的性能，同時(shí)系統(tǒng)級一維模型由于兼顧周邊部件在整車工況下的吸能，因此能更準(zhǔn)確的預(yù)測并優(yōu)化關(guān)鍵部件的性能，在設(shè)計(jì)早期避免可能出現(xiàn)的問題。ROM builder，它還提供了一種方法，讓設(shè)計(jì)師可以交互式地查看不同HVAC設(shè)置的變化，并立即響應(yīng)這些變化對乘客熱舒適的影響。當(dāng)用戶查看控件的設(shè)計(jì)時(shí)，ROM幫助將不同的系統(tǒng)工具連接在一起，并提高了工具預(yù)測的準(zhǔn)確性。 

利用ROM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以獲得不同傳感器位置(乘客頭部，腳/前部，頭頂)的所有溫度的演變。因此，這是一種用機(jī)艙切片的3D CFD計(jì)算結(jié)果“增強(qiáng)”1D系統(tǒng)描述的方法。同時(shí)，也能觀察到SimcenterAmesim一維模型中的任何變量(組件行為，控制等)，同時(shí)可以匹配或者預(yù)測關(guān)鍵部件的性能，兼顧了速度和精度。

結(jié)論

隨著對空調(diào)舒適性要求的提高和新能源汽車對能量管理的要求以及研發(fā)周期的不斷縮短，單純的評價(jià)空調(diào)降溫、采暖過程以及吹面、吹腳模型已經(jīng)無法滿足對舒適性的要求。而單純的三維流體空調(diào)熱舒適性分析和單純的一維系統(tǒng)級空調(diào)艙熱分析也無法滿足當(dāng)前新能源汽車性能及研發(fā)周期的要求，那么基于ROM的一維和三維的耦合分析則開啟了新的思路。三維的ROM模型聯(lián)合一維的系統(tǒng)級模型，兼顧一維計(jì)算實(shí)時(shí)循環(huán)工況的優(yōu)勢和三維計(jì)算詳細(xì)流場和溫度場的考慮。