車輛熱管理（VTM）仿真在車輛開(kāi)發(fā)階段變得越來(lái)越重要。這些模擬有助于預(yù)測(cè)驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)關(guān)鍵部件的熱分布。

它們通常使用兩種方法來(lái)完成：(1)在單個(gè)求解器中求解傳熱的各個(gè)方面，即對(duì)流，輻射和傳導(dǎo)（共軛傳熱）或(2)使用流體求解器模擬對(duì)流并使用單獨(dú)的熱求解器計(jì)算其他兩種機(jī)制（聯(lián)合模擬）。第一種方法通常是計(jì)算密集型的，而第二種方法則不是。這是因?yàn)槁?lián)合模擬減少了在單個(gè)代碼中模擬所有傳熱機(jī)制的負(fù)荷。這也是聯(lián)合仿真方法在汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用的原因之一。

傳統(tǒng)上，為聯(lián)合仿真過(guò)程開(kāi)發(fā)的方法是特定于負(fù)載情況的。本研究提出了一種新的聯(lián)合模擬方法，該方法可以跨多種負(fù)載情況使用。這是通過(guò)采用模塊化方法將過(guò)程分為三個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的：(1)風(fēng)扇，(2)熱交換器和(3)排氣系統(tǒng)。

對(duì)于風(fēng)扇模塊，開(kāi)發(fā)了一種新的方法，可以實(shí)現(xiàn)(a)更快的模擬時(shí)間和(b)模擬動(dòng)態(tài)風(fēng)扇速度。利用該模型可以準(zhǔn)確地模擬換熱器在熱浸過(guò)程中的行為。

針對(duì)排氣模塊提出了一種一維/三維（1D/3D）混合模型，該模型結(jié)合了一維和三維仿真方案的優(yōu)點(diǎn)。選擇了廣泛的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證方法的模塊化。測(cè)試包括60公里/小時(shí)的上坡駕駛、最大車速、熱浸泡和走走停停。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，模擬結(jié)果令人鼓舞。這允許創(chuàng)建用于模擬虛擬測(cè)試方案的通用方法。

01  前    言

車輛熱管理（VTM）是車輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要組成部分。它有助于在相對(duì)較早的開(kāi)發(fā)階段確定車輛的熱關(guān)鍵區(qū)域，從而有助于避免在車輛投放市場(chǎng)后重新設(shè)計(jì)。隨著更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)附近增加后處理裝置，VTM變得比以往任何時(shí)候都更加重要。這些設(shè)備的增加導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙區(qū)域的封裝限制更嚴(yán)格，從而導(dǎo)致該區(qū)域在熱管理方面變得至關(guān)重要。除了發(fā)動(dòng)機(jī)艙由于熱部件之間的距離縮短而承受更高的熱負(fù)荷外，發(fā)動(dòng)機(jī)艙下游的部件，即車身下部部件，也會(huì)由于熱量從較熱的發(fā)動(dòng)機(jī)艙對(duì)流排出而承受更高的熱負(fù)荷。

此外，大多數(shù)汽車還在車身下方區(qū)域添加了后處理裝置。這也會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域的熱負(fù)荷增加。這突出了在車輛的整個(gè)長(zhǎng)度上進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒峁芾淼谋匾浴?span>

如前所述，車輛的有效熱管理在車輛的開(kāi)發(fā)階段是至關(guān)重要的，以避免昂貴的重新設(shè)計(jì)。為了確保這一點(diǎn)，必須在車輛進(jìn)入生產(chǎn)階段之前對(duì)其進(jìn)行充分的測(cè)試。通常，這是通過(guò)在受控風(fēng)洞環(huán)境或測(cè)試軌道上進(jìn)行熱負(fù)荷測(cè)試來(lái)完成的。用于這些試驗(yàn)的風(fēng)洞通常是氣候風(fēng)洞，所有相關(guān)的邊界條件都可以事先設(shè)置好。對(duì)于風(fēng)洞外的測(cè)試，選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試地點(diǎn)使車輛承受高熱負(fù)荷。物理測(cè)試是一種時(shí)間和成本密集的熱運(yùn)行安全實(shí)驗(yàn)方法。這導(dǎo)致了對(duì)車輛進(jìn)行虛擬測(cè)試的發(fā)展，作為一種替代方法，首先可以補(bǔ)充，然后最終取代物理測(cè)試。

使用虛擬驗(yàn)證方法的優(yōu)點(diǎn)之一是不需要生成原型，因此硬件成本很低。這些測(cè)試使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬進(jìn)行，并利用數(shù)字風(fēng)洞中車輛的詳細(xì)虛擬模型。有兩種常見(jiàn)的方法可以用來(lái)進(jìn)行熱保護(hù)模擬：(i)共軛傳熱（CHT）或（ii）聯(lián)合模擬。在CHT方法中，所有的傳熱機(jī)制，即傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，都是用一個(gè)求解器來(lái)求解的。這具有在實(shí)際情況下模擬這些機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，每種傳熱模式都對(duì)其他兩種有直接影響。由于建模和計(jì)算包含在同一個(gè)求解器中，因此這種方法在分布式服務(wù)器系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)交換方面是有效的。在聯(lián)合模擬方法中，對(duì)流換熱從傳導(dǎo)換熱機(jī)制和輻射換熱機(jī)制中分離出來(lái)。這通過(guò)分離流體和固相降低了模型建立的復(fù)雜性。這減少了單個(gè)求解器的計(jì)算負(fù)荷，從而提高了整體效率。雖然這種方法有額外的復(fù)雜性，必須在分布式服務(wù)器系統(tǒng)上的兩個(gè)不同模型之間交換數(shù)據(jù)，如果交換的數(shù)據(jù)非常大，這可能導(dǎo)致周轉(zhuǎn)時(shí)間變慢，但這種方法的總體計(jì)算工作量仍然低于CHT方法。

多年來(lái)，已經(jīng)進(jìn)行了多項(xiàng)研究，以開(kāi)發(fā)車輛熱防護(hù)模擬的聯(lián)合仿真方法。然而，這些開(kāi)發(fā)的方法要么是非常特定于特定的負(fù)載情況，要么有不適合在行業(yè)中使用的周轉(zhuǎn)時(shí)間。

本研究的目的是開(kāi)發(fā)一種方法，該方法可以在所有負(fù)載情況下進(jìn)行模塊化測(cè)試，以測(cè)試車輛的熱運(yùn)行安全性，同時(shí)保持工業(yè)上可接受的周轉(zhuǎn)時(shí)間。為了理解如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，了解熱保護(hù)模擬的背景以及建模和計(jì)算挑戰(zhàn)方面的問(wèn)題定義非常重要。

當(dāng)首次引入VTM仿真時(shí)，它們用于子系統(tǒng)建模和簡(jiǎn)單負(fù)載情況。隨著技術(shù)的發(fā)展，這些模擬已被用于整車和復(fù)雜載荷情況的建模。然而，負(fù)載情況仍然大多限于穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。在現(xiàn)實(shí)中，幾乎不存在穩(wěn)定狀態(tài)的情況。為了提高VTM仿真的適用性，找到一種真正可行的替代硬件測(cè)試的方法，必須對(duì)瞬態(tài)現(xiàn)象和動(dòng)態(tài)負(fù)載情況進(jìn)行建模，這就是VTM仿真方法的問(wèn)題所在。之前已經(jīng)有多次這樣做的嘗試[14,15]，雖然這些嘗試在負(fù)載情況下工作得很好，但它們已經(jīng)被開(kāi)發(fā)為在這些負(fù)載情況之外的適用性，也就是說(shuō)，它們的模塊化是值得懷疑的。此外，這些方法所獲得的周轉(zhuǎn)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期被認(rèn)為在工業(yè)環(huán)境中可行的。因此，需要一種模塊化和省時(shí)的VTM模擬方法。

創(chuàng)建這種方法來(lái)模擬瞬態(tài)現(xiàn)象和VTM模擬中的動(dòng)態(tài)負(fù)載情況，最大的挑戰(zhàn)是流體和固相傳熱速率的差異。在這兩個(gè)階段中，熱量以不同的速率傳遞，這意味著選擇用于模擬熱交換的時(shí)間步長(zhǎng)必須根據(jù)熱量以更快的速率傳遞的介質(zhì)（即流體）來(lái)選擇。換句話說(shuō)，時(shí)間步長(zhǎng)必須足夠小，以有效地捕捉流體中的熱力學(xué)變化。當(dāng)流體和固相都在一個(gè)代碼中建模時(shí)，這可能是模擬周轉(zhuǎn)時(shí)間的瓶頸，就像使用CHT方法的情況一樣。

正如前一節(jié)所討論的，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)VTM模擬。本研究采用的方法是聯(lián)合模擬方法，將不同傳熱現(xiàn)象的建模拆分為多個(gè)代碼。然后將這些代碼以預(yù)定的頻率耦合起來(lái)，使不同的傳熱現(xiàn)象之間能夠相互作用。使用這種方法的優(yōu)點(diǎn)之一是，流體和固體相分離和計(jì)算獨(dú)立。這意味著每個(gè)域可以使用不同的時(shí)間步長(zhǎng)，或者其中一個(gè)域可以穩(wěn)定運(yùn)行。因此，前面提到的必須在每個(gè)域中使用極小的時(shí)間步長(zhǎng)的瓶頸不適用于此方法。使用這種方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以使用基于殼的方法簡(jiǎn)化實(shí)體域的模型，從而減少模型大小，從而減少模擬的計(jì)算負(fù)荷。

02  設(shè)置

實(shí)驗(yàn)裝置

三個(gè)模塊的建模技術(shù)和隨后的完整仿真工作流程都根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)于風(fēng)機(jī)和換熱模塊，采用子模型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。所測(cè)量的標(biāo)量是安裝在網(wǎng)格上的36個(gè)熱探頭在風(fēng)扇下游5cm處的溫度場(chǎng)，如圖1所示。子模型測(cè)試臺(tái)如圖2所示。圖中左側(cè)藍(lán)色管道為熱冷劑入口，右側(cè)藍(lán)色管道為熱冷劑出口。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，只使用了散熱器，中間冷卻器沒(méi)有任何熱空氣流過(guò)。這是因?yàn)槭褂米幽Ｐ蜏?zhǔn)確地表示中冷器內(nèi)部的熱壓縮空氣存在困難。然而，中間冷卻器仍然留在原地，以代表風(fēng)扇上游的正確壓降。

在整車環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了排氣系統(tǒng)模塊和完整的仿真流程。用于測(cè)試目的的車輛是Mini Cooper Clubman John Cooper Works。在整個(gè)飛行器上總共設(shè)置了110個(gè)測(cè)量點(diǎn)來(lái)測(cè)量表面和流體溫度。使用的測(cè)量探頭為k型熱電偶。圖3和圖4顯示了一些附加在排氣歧管組件上的測(cè)量探頭，以及中音消聲器和二次催化轉(zhuǎn)化器的下游部分。除了通過(guò)熱電偶測(cè)量表面和流體溫度外，還使用熱成像技術(shù)記錄了表面溫度。這是通過(guò)在汽車下面放置一個(gè)紅外攝像機(jī)來(lái)獲取不同位置下車身可見(jiàn)部件的熱圖像來(lái)完成的。然后將這些圖像與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，以定性驗(yàn)證排氣管表面存在的溫度梯度。

為本研究建模的負(fù)載案例在整個(gè)汽車行業(yè)都是標(biāo)準(zhǔn)化的，因此，之前已經(jīng)有方法對(duì)它們進(jìn)行建模。在五種不同的負(fù)載情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證不同的模塊和工作流方法。

a.以60公里/小時(shí)的速度持續(xù)上坡，坡度為10%。室外溫度設(shè)置為35℃。這將在報(bào)告的其余部分被稱為B60。

b.用拖車在高速公路上以100公里/小時(shí)的速度行駛。室外溫度設(shè)置為45℃。這將在報(bào)告的其余部分稱為V100。

c.以最高車速在高速公路上行駛。室外溫度設(shè)置為45℃。這將在報(bào)告的其余部分提到Vmax。

d.熱浸泡測(cè)試，在上述3項(xiàng)主要測(cè)試中的任何一項(xiàng)后，車輛停止運(yùn)行，并關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。風(fēng)扇運(yùn)行一段時(shí)間，然后關(guān)閉。這就產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)制對(duì)流的負(fù)載情況，然后是發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的自然對(duì)流。

e.模擬交通狀況的負(fù)載情況，前面是Vmax負(fù)載情況。此負(fù)載情況的持續(xù)時(shí)間為一小時(shí)。

使用B60和V100負(fù)載案例對(duì)風(fēng)扇模塊進(jìn)行驗(yàn)證，并使用熱交換器模塊對(duì)熱浸建模進(jìn)行評(píng)估。排氣系統(tǒng)模塊采用B60和Vmax實(shí)驗(yàn)結(jié)果。使用B60、Vmax、Thermal Soak結(jié)果評(píng)估完整的仿真工作流程。

圖1 36個(gè)測(cè)量點(diǎn)放置在風(fēng)機(jī)后的網(wǎng)格上

圖2 換熱器子模型試驗(yàn)臺(tái)

仿真設(shè)置

為本研究開(kāi)發(fā)的聯(lián)合模擬過(guò)程使用獨(dú)特的三碼耦合方法。這涉及到使用三維CFD求解器來(lái)求解管道內(nèi)部的外部對(duì)流和內(nèi)部排氣流。用熱求解器計(jì)算組件的表面溫度。使用一維求解器計(jì)算后處理組件（如催化轉(zhuǎn)化器和消聲器）內(nèi)部的流動(dòng)特性。然后使用耦合工具內(nèi)開(kāi)發(fā)的聯(lián)合模擬過(guò)程對(duì)所有這三個(gè)代碼進(jìn)行耦合。利用Haehndel的網(wǎng)格獨(dú)立性研究?jī)?yōu)化了體積網(wǎng)格的設(shè)置。所使用的3D CFD代碼的模擬設(shè)置總結(jié)在表1中。

本研究使用的熱求解器是基于有限元的求解器，計(jì)算每個(gè)部件的傳導(dǎo)和輻射傳熱，對(duì)流在CFD求解器中計(jì)算，然后從CFD求解器中映射。組件的所有相關(guān)性能，如電導(dǎo)率和比熱，都是從預(yù)先存在的材料數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得的。這些性質(zhì)對(duì)溫度的依賴性沒(méi)有建立模型。表2總結(jié)了熱求解器的模擬設(shè)置。

排氣系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)采用一維代碼建模。表3給出了1D設(shè)置的概述。然后通過(guò)耦合工具對(duì)所有三個(gè)代碼進(jìn)行耦合，其設(shè)置概述如表4所示。

表1 3D模擬設(shè)置

表2 熱模擬設(shè)置

表3一維仿真設(shè)置

表4聯(lián)合仿真的設(shè)置

完全模塊化

該方法對(duì)整個(gè)排氣系統(tǒng)進(jìn)行一維建模，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行三維建模。在建模的一維側(cè)，質(zhì)量流量、流體溫度和總壓值被導(dǎo)出到CFD求解器。這些被用作管道網(wǎng)絡(luò)和前面提到的組件之間的界面的入口和出口邊界條件。

在建模的3D方面，只有管道被建模為單獨(dú)的3D區(qū)域，如圖5所示。每個(gè)區(qū)域都有入口和出口。入口設(shè)置為停滯入口邊界型，出口設(shè)置為質(zhì)量流邊界型。輸入了停滯入口的總壓和流體溫度值并通過(guò)耦合工具在每個(gè)耦合回路進(jìn)行更新。同樣，在每個(gè)耦合回路中，質(zhì)量流量和出口流體溫度的值都會(huì)更新。

整個(gè)系統(tǒng)在一維模型中進(jìn)行了計(jì)算，但只導(dǎo)出了上述變量。三維模型用于計(jì)算管道的HTC和流體溫度，并將其導(dǎo)出到熱求解器中計(jì)算表面溫度。對(duì)于渦輪增壓器等部件，將能量輸入值從一維模型導(dǎo)出到熱求解器。所有表面溫度值被傳遞回1D和3D模型，用于下一次迭代。

在這一階段開(kāi)發(fā)的方法被標(biāo)記為部分模塊化，因?yàn)?span>3D管道和1D組件模型之間沒(méi)有向后耦合，因?yàn)?span>1D模型是獨(dú)立完成的。對(duì)于真正的模塊化，1D模型將僅由特定組件組成，這些組件可以互換以模擬不同的排氣系統(tǒng)。建立了部分模塊化方法，作為開(kāi)發(fā)完全模塊化建模的基礎(chǔ)。這將在下一小節(jié)中解釋。

圖5 管道建模為3D部分模塊化混合方法

對(duì)于將排氣系統(tǒng)建模為1D/3D混合模型的完全模塊化方法，3D模型與部分模塊化方法相同。將1D模型修改為只包含管道以外的組件，如圖6所示。

圖6顯示了1D模型中的各個(gè)組件已經(jīng)分別建模。每個(gè)組件都有自己的入口和出口對(duì)象。這些物體形成了與管道的連接，并完成了流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。與部分模塊化方法一樣，質(zhì)量流量、總壓力和流體溫度值從1D模型導(dǎo)出到3D模型，從而為管道進(jìn)出口提供邊界條件。此外，對(duì)于完全模塊化的方法，組件下游各點(diǎn)的總壓力和流體溫度值被導(dǎo)出回一維模型。這會(huì)更新邊界條件，使其與3D模型相匹配。圖7解釋了變量的流和交換。

變量在模型的接口處交換，以允許流中的連續(xù)性，從而在兩個(gè)模型之間共同實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)條件。在部分模塊化方法中，HTC值與熱求解器交換。

在混合方法中，開(kāi)發(fā)了一種新的自定義方法來(lái)探測(cè)和導(dǎo)出3D管道的HTCs值。該方法用于該方法的部分和完全模塊化變體。開(kāi)發(fā)該方法的目的是保持輸出HTC和流體溫度值的恒定近似距離。這消除了由網(wǎng)格質(zhì)量的局部不一致引起的標(biāo)量值的可變性。導(dǎo)出標(biāo)量值的恒定距離是通過(guò)創(chuàng)建具有恒定壁距的等表面，然后探測(cè)該等表面上的流體溫度值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然后根據(jù)公式4所示的流體溫度值計(jì)算HTC的自定義值。

其中，hcustom為自定義HTC，單位為W/m2·K，Φq為熱流密度，單位為W/m2。Tiso為等值面處的流體值，單位為K。Ts為管道表面的表面溫度值，單位為K。

圖6 一維模型為全模塊化方法

圖7 在完全模塊化方法的1D和3D模型之間交換變量

此方法使用的距離應(yīng)離壁面足夠遠(yuǎn)，離自由流足夠近，以避免壁面對(duì)流體溫度值的影響。它也可能不完全處于自由流中，因?yàn)樽杂闪髦械牧黧w溫度比壁面所經(jīng)歷的溫度要高。此外，如果與墻壁的距離太大，則可能導(dǎo)致計(jì)算溫度值的插值誤差。在測(cè)試了各種距離后，可以看到管道直徑八分之三的距離效果良好。墻體距離等面如圖8所示。

排氣系統(tǒng)的部分模塊化和完全模塊化混合1D/3D建模方法都為建模和測(cè)試排氣系統(tǒng)的多種變體提供了機(jī)會(huì)。這是通過(guò)完全或部分地從管道結(jié)構(gòu)中分離公共組件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)這種方式，可以對(duì)同一排氣系統(tǒng)的多個(gè)管道布局進(jìn)行測(cè)試。為了本研究的目的，采用了排氣系統(tǒng)的部分模塊化方法。

圖8 等面壁距用于HTC和Tfluid的計(jì)算

03  方法 

風(fēng)扇模塊

如前一節(jié)所述，風(fēng)機(jī)仿真的RBM和MRF方法在業(yè)界很流行。為了本研究的目的，首先開(kāi)發(fā)了一種稱為用戶定義動(dòng)量源（UDMS）的方法，然后進(jìn)一步優(yōu)化。UDMS方法的概念是導(dǎo)出在RBM模擬期間風(fēng)扇區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的力，并隨后將其應(yīng)用于無(wú)葉片風(fēng)扇區(qū)域內(nèi)。這有效地模擬了風(fēng)扇的影響，而不必在模擬中包括風(fēng)扇的幾何形狀。

這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠使用正確的力來(lái)模擬風(fēng)扇，而不受較小時(shí)間步長(zhǎng)的限制。這提高了整個(gè)聯(lián)合仿真過(guò)程的周轉(zhuǎn)時(shí)間。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算負(fù)載隨著的數(shù)量而減少無(wú)葉片區(qū)域的體積單元低于RBM模擬所需的體積單元。

UDMS方法的一個(gè)重要缺點(diǎn)是它依賴于數(shù)據(jù)的RBM模擬。每次需要模擬新的風(fēng)扇速度時(shí)，都需要執(zhí)行新的RBM模擬，這增加了總體周轉(zhuǎn)時(shí)間。這在風(fēng)扇速度變化的情況下尤其明顯，例如在停走情況下或熱浸泡情況下，初級(jí)階段結(jié)束，浸泡階段開(kāi)始。為了克服這一缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種新的模擬變速風(fēng)扇的方法，稱為增強(qiáng)用戶自定義動(dòng)量源（AUDMS）。

在這種方法中，無(wú)葉風(fēng)扇區(qū)域內(nèi)的力是在特定風(fēng)扇速度下產(chǎn)生的，然后使用一組增強(qiáng)系數(shù)對(duì)其他風(fēng)扇速度進(jìn)行增強(qiáng)。

這些系數(shù)分別是(1)軸向增強(qiáng)系數(shù)，(2)旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)系數(shù)，(3)徑向增強(qiáng)系數(shù)。在公式1中使用這三個(gè)系數(shù)得到新的動(dòng)量源，如圖所示。

其中，MSnew為應(yīng)用所有增強(qiáng)后的新動(dòng)量源項(xiàng)，MSro是利用旋轉(zhuǎn)增廣系數(shù)得到的旋轉(zhuǎn)增廣動(dòng)量源，Ca為軸向增強(qiáng)系數(shù)，Crd為徑向增強(qiáng)系數(shù)。

熱交換器

另一個(gè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣溫度的精確表示有影響的模塊是熱交換器。作為發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱源，需要對(duì)熱交換器模塊進(jìn)行精確建模，以忠實(shí)地表示該區(qū)域的部件溫度。

典型的熱防護(hù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景分為三個(gè)階段：(1)預(yù)調(diào)節(jié)階段，(2)初級(jí)測(cè)試，(3)熱浸測(cè)試。在一次試驗(yàn)期間，熱交換器保持在幾乎恒定的溫度。這使得它在主要測(cè)試階段成為發(fā)動(dòng)機(jī)艙的穩(wěn)定熱源。這已經(jīng)使用前面提到的方法在整個(gè)行業(yè)中進(jìn)行了精確的建模。

在熱浸泡階段，沒(méi)有冷卻劑流過(guò)熱交換器，并且已經(jīng)在其中的冷卻劑是靜止的。對(duì)于熱浸階段的初始部分，散熱器風(fēng)扇仍在運(yùn)行，并啟動(dòng)換熱器的冷卻階段。使用傳統(tǒng)的建模方法來(lái)模擬這一階段會(huì)導(dǎo)致一定的數(shù)值不穩(wěn)定性。這就需要?jiǎng)?chuàng)建一種新的建模方法來(lái)準(zhǔn)確地表示熱交換器的冷卻階段。

所采用的方法是將熱交換器內(nèi)的固定冷卻劑建模為固體。這與應(yīng)用于靜止流體和固體的能量方程一致，如公式2所示。固體模型在所有三個(gè)維度上解決了固定冷卻劑內(nèi)部的溫度梯度。

其中ρ是靜止流體的密度，單位為kg/m3，cp是靜止流體的比熱容，單位為J/kg·K，T是靜止流體的溫度，單位為K，K是靜止流體的電導(dǎo)率，單位為W/m·K，Δ2T是溫度梯度的散度，單位為K/m2。

為了實(shí)現(xiàn)該方法的功能，在固定冷卻劑的固體區(qū)域和進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空氣的流體區(qū)域之間創(chuàng)建了一個(gè)固體-流體界面。這種界面背后的工作原理很簡(jiǎn)單：熱能從固體區(qū)域移出，并添加到流體區(qū)域的能量方程中。從固體區(qū)域移走的熱量由用戶定義的函數(shù)控制。如公式3所示。

式中，HXUAL為固體區(qū)域移出的熱能，單位為W/K，-m為質(zhì)量流率，單位為kg/s，cp為比熱容，單位為J/kg·K。

由于換熱器的冷卻是一種瞬態(tài)現(xiàn)象，因此固體區(qū)域的密度和比熱容等性質(zhì)對(duì)確定該區(qū)域的熱響應(yīng)起著重要作用。為了得到模擬固體區(qū)域的有效特性，測(cè)量了換熱器內(nèi)冷卻劑的體積，計(jì)算了冷卻劑的質(zhì)量。然后計(jì)算出該質(zhì)量與熱交換器結(jié)構(gòu)的質(zhì)量之比。該比率用于模擬固體區(qū)域的最佳固有特性。該測(cè)量是對(duì)車輛中的每個(gè)熱交換器進(jìn)行的。

排氣模塊

完成建模方法的第三個(gè)也是最后一個(gè)模塊是排氣系統(tǒng)。廢氣，通過(guò)它的排氣系統(tǒng)是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛的主要熱源。隨著部件越來(lái)越緊密地組裝在一起，排氣系統(tǒng)的熱量傳遞對(duì)相鄰部件的溫度有很大的影響。這使得排氣表面溫度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)成為VTM模擬中最關(guān)鍵的部分。

過(guò)去曾有各種嘗試在一個(gè)完整的車輛模型中模擬排氣系統(tǒng)溫度如前一節(jié)所述。這些方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。然而，為了更廣泛地適用于整個(gè)行業(yè)，需要一種更具靈活性和模塊化的方法。本研究采用的方法是將排氣建模為一維/三維混合模型。

為了開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力模型，排氣系統(tǒng)被分成不同的組，然后將建模為1D或3D。例如，提高廢氣溫度的部件，如渦輪增壓器或催化轉(zhuǎn)化器，將在1D中建模。更簡(jiǎn)單的部件，如排氣管，將在3D中建模。該方法旨在降低排氣系統(tǒng)建模的復(fù)雜性，同時(shí)保持可接受的精度水平。

排氣系統(tǒng)模塊的開(kāi)發(fā)分三個(gè)階段進(jìn)行。在第一階段完成了排氣系統(tǒng)的完整3D建模，隨后在第二階段完成了一個(gè)完整的1D模型?；旌戏椒ㄊ窃诮５牡谌A段開(kāi)發(fā)的。第一和第二階段被用來(lái)建立各自建模方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。第三階段的目的是克服這兩種方法的缺點(diǎn)。為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，這里只描述混合方法。

過(guò)去已經(jīng)有一些研究探索了類似的混合方法來(lái)模擬排氣系統(tǒng)。然而，這些研究并沒(méi)有在一個(gè)完整的排氣系統(tǒng)上進(jìn)行。當(dāng)前報(bào)告中提出的技術(shù)旨在開(kāi)發(fā)一種混合排氣系統(tǒng)模型，該模型可用于集成到整車仿真工作流程中的完整排氣系統(tǒng)。

混合方法的開(kāi)發(fā)分兩個(gè)階段進(jìn)行：1.采用部分模塊化方法，管道結(jié)構(gòu)采用一維和三維建模，而渦輪增壓器、一次催化轉(zhuǎn)化器（PCC）、二次催化轉(zhuǎn)化器（SCC）、中間消聲器（MAS）和末端消聲器（EAS）等部件采用一維建模。2.完全模塊化的方法，其中管道結(jié)構(gòu)僅以3D方式建模，而其他部件僅以1D方式建模。

  04  B60/Vmax   

B60/Vmax

圖9顯示了用于熱保護(hù)測(cè)試目的的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定負(fù)載箱。測(cè)試分為三個(gè)階段：(a)建立穩(wěn)定啟動(dòng)條件的預(yù)調(diào)節(jié)階段，(b)車輛正在測(cè)試的主要測(cè)試階段，以及(c)熱浸泡或關(guān)鍵階段，在此階段車輛被關(guān)閉，并允許通過(guò)自由對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流的組合冷卻。本小節(jié)概述了第二階段的建模。

本文選取的穩(wěn)態(tài)載荷工況為以60 km/h（B60）和最大車速（Vmax）恒定上坡行駛。這兩種負(fù)載情況的工作流在CoTherm內(nèi)部具有相同的布局。

圖10顯示了通用布局中穩(wěn)態(tài)聯(lián)合仿真的工作流程。首先運(yùn)行CFD模型進(jìn)行初始化。初始化運(yùn)行完成后，對(duì)流結(jié)果導(dǎo)出到熱求解器。在熱求解器中計(jì)算表面溫度后，將結(jié)果導(dǎo)出到CFD模型中。相應(yīng)代碼中結(jié)果的導(dǎo)出和導(dǎo)入由集成到耦合代碼中的任務(wù)控制。圖10中矩形框顯示的任務(wù)是一組指令，當(dāng)工作流到達(dá)特定任務(wù)時(shí)，代碼必須執(zhí)行這些指令。這個(gè)完整的交換結(jié)束了一個(gè)耦合循環(huán)，整個(gè)過(guò)程一直運(yùn)行，直到達(dá)到耦合的收斂準(zhǔn)則。

圖10中描述的過(guò)程解釋了CFD模型和TAITherm之間的信息交換是如何發(fā)生的。為了完成穩(wěn)態(tài)工況下聯(lián)合仿真過(guò)程的建模，有必要將排氣系統(tǒng)納入工作流程。

混合排氣建模方法的工作流程包含了一些額外的任務(wù)，需要導(dǎo)入和導(dǎo)出管道結(jié)構(gòu)的3D對(duì)流數(shù)據(jù)。工作流還包括與一維模型交換數(shù)據(jù)的所有程序和任務(wù)。

混合方法建模的另一個(gè)方面是結(jié)合CFD模型和1D模型之間的邊界條件交換。這需要在CFD模型中導(dǎo)入入口和出口邊界的壓力、溫度和質(zhì)量流量值。如前所述，所有這些都是通過(guò)自定義宏和附加任務(wù)來(lái)控制的。此工作流的所有任務(wù)都顯示在圖11中的布局中。

圖9熱管理實(shí)驗(yàn)通用測(cè)試方案

圖10耦合工具中的通用工作流

圖11針對(duì)1D/3D混合排氣建模方法改進(jìn)的穩(wěn)態(tài)工作流程

如上所述，初級(jí)實(shí)驗(yàn)之后是熱浸階段。這個(gè)階段是用一個(gè)單獨(dú)的工作流建模的。工作流程將在下一小節(jié)中解釋。

05  熱浸

熱浸

前面展示的測(cè)試方案的第三階段是所謂的熱浸泡。在最初的測(cè)試之后，飛行器停下來(lái)，引擎關(guān)閉。在初級(jí)試驗(yàn)中被加熱的部件仍然需要冷卻，以避免熱損壞。這是通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后運(yùn)行散熱器風(fēng)扇一段固定時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一旦風(fēng)扇關(guān)閉，自然對(duì)流就會(huì)起作用，部件的表面溫度在最終下降之前開(kāi)始上升。這種強(qiáng)制對(duì)流和自由對(duì)流的結(jié)合是圖9所示測(cè)試方案中熱浸泡階段的特征。熱浸泡載荷情況的建模已經(jīng)得到了廣泛的研究，并且在文獻(xiàn)中有相當(dāng)大的工作量。

為了模擬測(cè)試方案的這一階段，必須對(duì)上述三個(gè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的建模，并有效地將其整合到熱浸工況中。前面提到的AUDMS技術(shù)用于風(fēng)扇模塊，其中RBM來(lái)自主模塊通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M了熱浸泡階段風(fēng)扇區(qū)域的受力情況。這節(jié)省了運(yùn)行熱浸泡階段的RBM模擬所需的計(jì)算時(shí)間。

排氣模塊沒(méi)有針對(duì)熱浸泡階段進(jìn)行廣泛的建模。這是因?yàn)樵谶@一階段沒(méi)有廢氣流過(guò)管道。然而，排氣系統(tǒng)上存在高溫梯度。這與排氣系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境開(kāi)放的事實(shí)相結(jié)合，導(dǎo)致排氣系統(tǒng)內(nèi)部的自由對(duì)流氣流。為了模擬這種效果，排氣模塊的1D元件被斷開(kāi)，而3D管道組件仍然與系統(tǒng)的其余部分相連。為了對(duì)排氣系統(tǒng)的外表面進(jìn)行建模，使用初級(jí)模擬結(jié)束時(shí)的溫度來(lái)初始化熱浸泡階段。

如前一節(jié)所述，用于熱浸泡階段的熱交換器模塊需要特殊的建模來(lái)表示熱交換器矩陣的冷卻。由于這個(gè)冷卻階段是一個(gè)明顯的瞬態(tài)現(xiàn)象，所以不能用偽瞬態(tài)方法來(lái)建模。

因此，必須使用完整的瞬態(tài)-瞬態(tài)耦合方法對(duì)其進(jìn)行建模。在冷卻模塊試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可以看出，在B60和Vmax負(fù)荷情況下，典型的換熱器冷卻階段持續(xù)時(shí)間約為1分鐘。因此，只有熱浸泡階段的第一分鐘被建模為完全瞬態(tài)。這樣，即使使用固定的時(shí)間步長(zhǎng)，整個(gè)模擬的周轉(zhuǎn)時(shí)間也不會(huì)顯著增加。

一旦建立了三個(gè)模塊，就可以開(kāi)發(fā)完整的負(fù)載情況。熱浸負(fù)荷情況可分為兩個(gè)階段：(a)開(kāi)風(fēng)機(jī)時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流和(b)關(guān)風(fēng)機(jī)時(shí)的自由對(duì)流。第一部分可以進(jìn)一步分為熱交換器冷卻的階段和熱交換器冷卻到環(huán)境溫度的階段。階段A使用前面提到的完全瞬態(tài)方法建模。這是在一分鐘的模擬時(shí)間內(nèi)完成的。采用擬瞬態(tài)方法模擬了熱浸工況下強(qiáng)迫對(duì)流和自由對(duì)流的第二階段。該階段將多個(gè)穩(wěn)態(tài)CFD模型耦合到熱求解器中的一個(gè)瞬態(tài)模型，模擬持續(xù)時(shí)間取決于熱浸泡實(shí)驗(yàn)需要運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間。這種全瞬態(tài)聯(lián)合仿真和偽瞬態(tài)聯(lián)合仿真的結(jié)合，使開(kāi)發(fā)的熱浸工作流程獨(dú)一無(wú)二。兩種聯(lián)合仿真方法的結(jié)合有助于實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)時(shí)間和精度的最佳組合。圖12顯示了為熱浸泡負(fù)載情況開(kāi)發(fā)的工作流程。

圖12 熱浸負(fù)荷工況的偽瞬態(tài)工作流程

在360個(gè)處理器上，模擬持續(xù)時(shí)間為20分鐘的熱浸泡模擬的周轉(zhuǎn)時(shí)間為4.5天。本報(bào)告的下一章將詳細(xì)討論所開(kāi)發(fā)方法的結(jié)果。

06  結(jié)果和討論  

B60/Vmax

各組分表面溫度值的對(duì)比圖如圖13所示。測(cè)量點(diǎn)用紅色表示。測(cè)量使用K型熱電偶，公差為±2.5 K。

大多數(shù)為比較選擇的測(cè)量點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙區(qū)域。這是因?yàn)樗擒囕v溫度最高的區(qū)域，受所有三個(gè)模塊建模的影響最大。從圖13可以看出，模擬溫度值與實(shí)驗(yàn)溫度值的相關(guān)性很好。兩種負(fù)載情況下的大部分偏差都在可接受的公差范圍內(nèi)。兩種負(fù)載情況的最大差異在探頭20處。該探頭位于渦輪增壓器旁邊的隔熱罩上，具有復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，難以在熱求解器中使用基于殼體的方法進(jìn)行建模。

此外，對(duì)于兩種負(fù)載情況，該區(qū)域的溫度接近550 K和700 K。請(qǐng)記住，20 K的差值雖然不在正常公差范圍內(nèi)，但也是可以接受的異常。

圖13 B60和Vmax載荷工況下構(gòu)件表面溫度的仿真與實(shí)驗(yàn)比較

熱浸

圖14至17顯示了上述熱浸負(fù)載情況下20個(gè)探頭表面溫度的模擬值和實(shí)測(cè)值的比較。由于數(shù)據(jù)與時(shí)間有關(guān)，為了清晰起見(jiàn)，每個(gè)探針都被單獨(dú)描述。

從圖14 ~ 17可以看出，實(shí)驗(yàn)值與模擬值吻合較好。風(fēng)扇關(guān)閉的效果被準(zhǔn)確地捕捉到了。有一些特定的點(diǎn)，比如車輛后部的8號(hào)探測(cè)器，在運(yùn)行過(guò)程中溫度值不會(huì)發(fā)生顯著變化。這些微小的表面溫度變化也與模擬相匹配，具有足夠的精度。

三種模塊開(kāi)發(fā)方法中的兩種在熱浸負(fù)載情況下實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)是使用AUDMS方法的風(fēng)扇模塊第二個(gè)是使用固體流體熱交換器方法的熱交換器模塊。結(jié)果表明，受兩種模塊影響最大區(qū)域的元件溫度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。上圖中繪制的并非所有探針都顯示出模擬和實(shí)驗(yàn)之間的密切相關(guān)性。

模擬結(jié)果的一些曲線顯示的響應(yīng)速度或慢或快于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這可以歸因于組件使用了shell方法。對(duì)復(fù)雜部件使用單一厚度值會(huì)導(dǎo)致熱質(zhì)量的差異，因此，模擬與實(shí)驗(yàn)的熱響應(yīng)。模擬和實(shí)驗(yàn)的啟動(dòng)溫度也有細(xì)微的差異。這些是從用于初始化熱浸泡模擬的穩(wěn)態(tài)負(fù)載情況中延續(xù)下來(lái)的。

在熱浸載荷情況下，組件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的一個(gè)重要方面是表征峰值表面溫度。峰值值、發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間都是決定相關(guān)部件安全性的重要因素。結(jié)果表明，熱響應(yīng)曲線的這些屬性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖14測(cè)量探頭1-4的熱浸結(jié)果

圖15測(cè)量探頭5-8的熱浸結(jié)果

圖16測(cè)量探頭9-12的熱浸結(jié)果

圖17測(cè)量探頭13-16的熱浸結(jié)果

07  結(jié)    論

本文的研究提出了一種有效和創(chuàng)新的方法來(lái)模擬整車在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)邊界條件下的熱行為。目前，在現(xiàn)有的關(guān)于VTM仿真的文獻(xiàn)中，還沒(méi)有對(duì)整車配置的停車和行駛等動(dòng)態(tài)場(chǎng)景進(jìn)行仿真。這是由于模擬這樣的驅(qū)動(dòng)配置文件需要大量的資源，因此需要很高的周轉(zhuǎn)時(shí)間。所提出的方法不僅克服了這兩個(gè)限制因素，而且在應(yīng)用中也是模塊化的，通過(guò)對(duì)三個(gè)模塊的建模，可以對(duì)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷情況進(jìn)行建模。

本研究提出的方法的核心是基于不同模塊的方法。它旨在展示可以通過(guò)使用模塊化方法來(lái)優(yōu)化復(fù)雜工作流的周轉(zhuǎn)時(shí)間。這可以從本文提供的各種結(jié)果中看到。他們表明，本研究中開(kāi)發(fā)的方法能夠在最小限度地使用高度特定的建模方法的情況下，對(duì)跨越各種邊界條件的負(fù)載情況進(jìn)行建模。

為風(fēng)扇模塊建模而開(kāi)發(fā)的AUDMS方法可以顯著減少周轉(zhuǎn)時(shí)間?；旌夏M排氣系統(tǒng)的方法是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗Y(jié)合了1D和3D模擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。它還增加了一定程度的模塊化，允許以相對(duì)簡(jiǎn)單的方式測(cè)試各種排氣系統(tǒng)配置。所開(kāi)發(fā)的模擬熱交換器在熱浸過(guò)程中的冷卻階段的方法也改進(jìn)了現(xiàn)有的偽瞬態(tài)熱浸模擬方法。

通過(guò)使用這三個(gè)模塊的不同組合，設(shè)計(jì)了完整VTM仿真的四個(gè)工作流程。結(jié)果表明，所提出的方法能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地模擬所有荷載情況。

作為該方法未來(lái)發(fā)展的一部分，它可以擴(kuò)展到高動(dòng)態(tài)負(fù)載情況，如賽道模擬。對(duì)單個(gè)模塊的進(jìn)一步優(yōu)化也是一個(gè)有待探索的途徑。風(fēng)扇模塊的AUDMS方法可以擴(kuò)展到不同車輛的不同風(fēng)扇幾何形狀，這將進(jìn)一步提高模塊化。已開(kāi)發(fā)但未集成到工作流程中的排氣系統(tǒng)模塊的完全混合方法可以改進(jìn)并納入其中。此外，可以開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的瞬態(tài)-瞬態(tài)仿真工作流程，以更逼真地適應(yīng)所有三個(gè)模塊的瞬態(tài)效果。

本文提出的方法是為內(nèi)燃機(jī)車輛的熱管理模擬而開(kāi)發(fā)的。目前汽車工業(yè)的趨勢(shì)是朝著部分或完全電氣化的動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展。雖然這種動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱相對(duì)較低，但它們?cè)谟行У臒峁芾矸矫嫣岢隽送耆煌奶魬?zhàn)。

看看模塊化方法如何應(yīng)用于這種新的負(fù)載情況將是很有趣的。