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一種自動(dòng)高效的發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理建模方法
2020-08-29 23:41:02· 來源：汽車CFD技術(shù)之家
摘 要：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的CFD 分析需要對(duì)整車包含發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的眾多零部件進(jìn)行復(fù)雜的網(wǎng)格處理，而現(xiàn)有的工作流程主要依賴手工方式進(jìn)行，工作量巨大，因此迫切
摘 要：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的CFD 分析需要對(duì)整車包含發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的眾多零部件進(jìn)行復(fù)雜的網(wǎng)格處理，而現(xiàn)有的工作流程主要依賴手工方式進(jìn)行，工作量巨大，因此迫切需要一種自動(dòng)化流程來實(shí)現(xiàn)。本文以我司某車型為例，利用FluentMeshing的自動(dòng)化網(wǎng)格流程來完成表面網(wǎng)格處理和體網(wǎng)格生成，將原本需要1~2個(gè)月的網(wǎng)格處理工作縮短到1周之內(nèi)完成，且人工干預(yù)工作大大減少，大幅提升了仿真工作的效率。該自動(dòng)化網(wǎng)格流程內(nèi)嵌最佳網(wǎng)格實(shí)踐，同時(shí)也可根據(jù)我司不同車型幾何質(zhì)量及管理規(guī)范進(jìn)行二次封裝以適應(yīng)多種車型（或改款）的自動(dòng)高效建模需求。通過這套建模流程可以獲得高質(zhì)量體網(wǎng)格，模型計(jì)算結(jié)果（熱態(tài)工況）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
引言
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以有效的縮短研發(fā)周期降低研發(fā)成本，在激烈的汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)揮著重要作用。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展, 人們對(duì)汽車安全性、舒適性、節(jié)能性和環(huán)保性的要求也越來越高。發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真是汽車行業(yè)數(shù)值仿真一個(gè)重要方向。發(fā)動(dòng)機(jī)艙里布置了包括前端冷卻模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)總成、進(jìn)排氣系統(tǒng)，電子部件等眾多零部件，其中發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)是高溫?zé)嵩矗瑹嵩锤浇臏囟让舾胁考ㄈ缇€束、橡膠件、電子零件等）受到高溫影響可能會(huì)導(dǎo)致零部件加速老化甚至性能損害，因此通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的流動(dòng)和溫度分布的仿真，對(duì)機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵部件進(jìn)行熱害分析，并為空間布局優(yōu)化提供技術(shù)支持。CFD仿真可以縮短試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)成本。
發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理分析需要對(duì)整車包含發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的眾多零件進(jìn)行網(wǎng)格處理，現(xiàn)有的CFD工作流程主要依賴手工包面的方式處理，這種方式需要包面之前對(duì)初始集合模型進(jìn)行預(yù)處理，手動(dòng)檢測(cè)并修補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件，手動(dòng)預(yù)處理的工作量巨大，并且受人工影響因素大，表面網(wǎng)格質(zhì)量很難保證，迫切需要一種自動(dòng)化流程來實(shí)現(xiàn)。FluentMeshing的腳本驅(qū)動(dòng)處理網(wǎng)格正是這樣的自動(dòng)化流程。它可以自動(dòng)完成表面網(wǎng)格處理和體網(wǎng)格生成，需要人工干預(yù)的工作減少，大幅提升了仿真工作的效率。優(yōu)化仿真中批量處理大規(guī)模模型的需求，更能體現(xiàn)出腳本處理的優(yōu)勢(shì)。該自動(dòng)化網(wǎng)格流程適用于不同車型，可以積累最佳網(wǎng)格實(shí)踐數(shù)據(jù)庫，適應(yīng)多種車型（或改款）的自動(dòng)高效建模需求。
利用這套方法,Volvo S80車型僅用3天時(shí)間就可獲得整車網(wǎng)格，并且這套一體化網(wǎng)格可以進(jìn)行包括外氣動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理，共軛傳熱等計(jì)算[1]。這種全新高效的建模流程極大提升了Volvo熱管理分析的效率，也更加印證了自動(dòng)化網(wǎng)格流程的發(fā)展趨勢(shì)。
下面對(duì)我司某車型利用自動(dòng)網(wǎng)格流程進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真，并對(duì)關(guān)注部件進(jìn)行熱害預(yù)測(cè)的過程進(jìn)行介紹。
1、自動(dòng)化網(wǎng)格流程
自動(dòng)化網(wǎng)格流程就是對(duì)初始幾何模型運(yùn)行一套已經(jīng)準(zhǔn)備好的腳本文件，就可以自動(dòng)完成表面漏洞封閉、包面、面網(wǎng)格重構(gòu)、體網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量提升的全套工作。
發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真的零部件眾多，要仿真空氣從格柵進(jìn)入在整個(gè)發(fā)動(dòng)艙內(nèi)的流動(dòng)和溫度分布，需要通過包面的方式提取出流體域的邊界。要對(duì)空氣域進(jìn)行包面，就需要把空氣域處理成一個(gè)單連通的區(qū)域，這樣就需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)，乘員艙等主要區(qū)域的表面進(jìn)行漏洞檢測(cè)，封閉表面漏洞。傳統(tǒng)的網(wǎng)格處理方式中漏洞封閉的過程全部需要工程師手動(dòng)處理，工作量巨大，對(duì)于一個(gè)整車模型，網(wǎng)格處理需要一到兩個(gè)月的時(shí)間。網(wǎng)格處理的工作時(shí)長(zhǎng)和網(wǎng)格質(zhì)量受工程師使用軟件的熟練程度影響，差別較大。
1.1、自動(dòng)化網(wǎng)格流程的優(yōu)勢(shì)
FluentMeshing的自動(dòng)化網(wǎng)格處理可以依靠腳本驅(qū)動(dòng)自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理這樣復(fù)雜模型的處理，自動(dòng)完成漏洞封閉、包面、重構(gòu)、體網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量提升的工作，使用者只需要對(duì)初始網(wǎng)格模型進(jìn)行模型分區(qū)命名等準(zhǔn)備工作，調(diào)整合理的尺寸函數(shù)后，運(yùn)行腳本文件即可。這樣網(wǎng)格處理的時(shí)間可以縮短到1周之內(nèi)完成，并且其中手動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間更少，其余都是自動(dòng)運(yùn)行的CPU時(shí)間，大幅提升了工作效率。
自動(dòng)化網(wǎng)格流程的自動(dòng)封閉漏洞功能非常強(qiáng)大。以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，通過參數(shù)設(shè)定，我們可以控制檢測(cè)漏洞的尺寸，運(yùn)行網(wǎng)格流程后自動(dòng)封閉所有小于指定尺寸的漏洞，得到封閉的發(fā)動(dòng)機(jī)外表面，免去了繁雜重復(fù)的漏洞檢測(cè)和堵洞的手工操作。
自動(dòng)化網(wǎng)格流程中可以根據(jù)車外造型自動(dòng)生成加密區(qū)域，包括貼體加密區(qū)域，前端加密區(qū)域和尾流加密區(qū)域，并且可以通過調(diào)整參數(shù)控制加密區(qū)域的形狀，尺寸和密度[2]。
自動(dòng)化網(wǎng)格流程中的一個(gè)特色功能是自動(dòng)縫隙封閉的功能，可以針對(duì)指定的對(duì)象按照定義的標(biāo)準(zhǔn)尋找并封閉縫隙，對(duì)于外氣動(dòng)或者發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理分析中如外造型面上不同部件間的縫隙封補(bǔ)非常有用[2]。
此外，自動(dòng)化網(wǎng)格工具還包含同時(shí)生成固體網(wǎng)格的功能，用于流固耦合傳熱計(jì)算。自動(dòng)匹配交界面等工具，省去了發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真中眾多交界面的選擇和匹配工作。
對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的優(yōu)化仿真，往往需要進(jìn)行批量的模型處理，這些模型如果在命名規(guī)則一致的前提下，就可以不再重復(fù)模型的尺寸函數(shù)等設(shè)定工作，直接運(yùn)行腳本，實(shí)現(xiàn)批量處理。
使用自動(dòng)化網(wǎng)格流程可以不斷積累針對(duì)不同車型的最佳網(wǎng)格實(shí)踐，同時(shí)也可根據(jù)我司不同車型幾何質(zhì)量及管理規(guī)范進(jìn)行二次封裝以適應(yīng)多種車型以及改款車型的自動(dòng)高效建模需求。
1.2、自動(dòng)化網(wǎng)格流程
自動(dòng)化網(wǎng)格流程使用的FluentMeshing腳本語言易讀易用，使用者不需要精通編程語言就可以使用。使用這套網(wǎng)格流程，從包面到體網(wǎng)格生成再到網(wǎng)格質(zhì)量提升都自動(dòng)完成，網(wǎng)格處理時(shí)間更短，人工干預(yù)更少，網(wǎng)格質(zhì)量更有保證。
腳本化網(wǎng)格的流程如圖3所示：
2、數(shù)學(xué)模型
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）是流體力學(xué)領(lǐng)域的重要分支學(xué)科。采用CFD方法研究問題時(shí)，常用方法是把空間區(qū)域離散成若干三維單元，以形成一個(gè)個(gè)立體網(wǎng)格( 或者格點(diǎn))，然后在網(wǎng)格上應(yīng)用相應(yīng)的算法來解連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程（對(duì)于無粘流體求解歐拉方程，對(duì)于粘性流體求解納維-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)）、能量方程及組分輸運(yùn)方程等，對(duì)于瞬態(tài)過程現(xiàn)象，還要添加物理變量對(duì)時(shí)間的離散項(xiàng)，在離散的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。目前在工程領(lǐng)域CFD方法已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。
2.1、湍流模型介紹
本文發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真用到的湍流模型是工程仿真分析中使用最廣泛的是k-ε系列湍流模型。k-ε模型是一種兩方程湍流模型，它通過求解兩個(gè)附加輸運(yùn)方程（湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能擴(kuò)散率ε），再以此為基礎(chǔ)得到湍流粘度，從而對(duì)雷諾時(shí)均RANS方程中的附加雷諾應(yīng)力項(xiàng)進(jìn)行模化，使整個(gè)方程組封閉。標(biāo)準(zhǔn)k-e模型自它被提出以來就在諸多實(shí)際工程流動(dòng)計(jì)算中扮演重要的角色，它以其良好的計(jì)算經(jīng)濟(jì)性、寬廣的實(shí)用性以及合理的精度被許多工程技術(shù)人員的廣泛使用。
湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε從以下運(yùn)輸方程得到：
其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，YM代表課呀湍流中的脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)[3]。
2.2、傳熱和輻射模型介紹
傳熱在各工業(yè)領(lǐng)域都存在廣泛的應(yīng)用。稱從空間中占據(jù)一個(gè)區(qū)域的物質(zhì)的熱能到空間中占據(jù)不同區(qū)域的物質(zhì)稱為熱傳遞。傳熱可以通過三種主要方法進(jìn)行：導(dǎo)熱，對(duì)流和輻射。本文發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真要計(jì)算傳熱和輻射。
當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，自身攜帶熱量，這稱為對(duì)流。傳熱是跟流體流動(dòng)耦合在一起的。當(dāng)能量和流體流動(dòng)方程都被激活就意味著計(jì)算了對(duì)流。當(dāng)能量方程激活時(shí)，流體內(nèi)的導(dǎo)熱也進(jìn)行了計(jì)算。
能量運(yùn)輸方程
其中，keff是有效導(dǎo)熱率（k+kt，其中kt是根據(jù)所使用的湍流模型定義的湍流熱導(dǎo)率），Jj是組分j的耗散通量。右側(cè)的前三項(xiàng)分別表示由于傳導(dǎo)，組分?jǐn)U散和粘性耗散引起的能量傳遞[4]。
輻射傳熱是一種通過電磁波傳遞能量的能量傳輸模式。熱輻射覆0.1~100um的電磁光譜部分。對(duì)于半透明物體 ( 如玻璃、燃燒廢氣), 輻射可以從體內(nèi)發(fā)射，因此是一種體現(xiàn)象。對(duì)于不透明物體，輻射是一種表面現(xiàn)象，因?yàn)轶w內(nèi)發(fā)射的電磁波都在本體內(nèi)部被吸收。
在一個(gè)模擬中，如果輻射換熱熱流跟對(duì)流和導(dǎo)熱傳熱處于相同數(shù)量級(jí)時(shí)需考慮輻射。
通常在高溫條件下符合這種情況。但某些較低溫度的情況下也符合，具體取決于應(yīng)用對(duì)象?？上雀鶕?jù)下式估計(jì)系統(tǒng)中導(dǎo)熱或?qū)α鱾鳠岬牧考?jí)，再將qrad與qconv進(jìn)行比較。
Fluent中的輻射模型包括P1模型，DTRM(Discrete Transfer Method) 模型，S2S(Surface to surfacemodel) 模型，DO(Discrete ordinates model) 模型等。在選擇輻射模型前，先要確定光學(xué)厚度：
光學(xué)厚度小意味著流體介質(zhì)對(duì)輻射接近透明，輻射僅在計(jì)算域的邊界上互相傳遞。光學(xué)厚度大意味著流體介質(zhì)會(huì)吸收輻射，并再次發(fā)射輻射。
DO模型為對(duì)計(jì)算資源要求最高的輻射模型，同時(shí)適用性最廣，精度最高。當(dāng)光學(xué)厚度=0時(shí)，S2S具有與DO模型相當(dāng)?shù)木?，但所需?jì)算資源更少。P1模型計(jì)算資源要求中等，精度尚可。DTRM模型比DO模型計(jì)算代價(jià)小，但不支持并行，因此很少使用。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真，可以選擇S2S模型。
3、仿真建模
3.1、幾何模型
發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理需要處理全車數(shù)模（乘員艙內(nèi)部件除外），按照車身，動(dòng)力總成，冷卻模塊和機(jī)艙內(nèi)部件等對(duì)幾何邊界進(jìn)行預(yù)處理歸類命名等工作，為運(yùn)行自動(dòng)化網(wǎng)格流程做準(zhǔn)備。初始幾何模型外造型面,前端冷卻模塊和動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)如圖4-6所示：
3.2、網(wǎng)格模型
利用自動(dòng)化網(wǎng)格流程包面并重構(gòu)之后的面網(wǎng)格數(shù)量約1500萬，其中換熱器模塊和風(fēng)扇域邊界等部件的最小尺寸為0.5mm。面網(wǎng)格如圖7-9所示。
主流體域空間體網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格和邊界層，單獨(dú)劃分換熱器網(wǎng)格和風(fēng)扇域網(wǎng)格以及隔熱罩固體網(wǎng)格，組合腳本自動(dòng)化生成的流體域網(wǎng)格，體網(wǎng)格總數(shù)約6000萬。體網(wǎng)格截面如圖10所示 。
3.3、分析設(shè)定
計(jì)算工況為低速爬坡，車速50km/h，環(huán)境溫度38℃?？諡V吸氣量為457.78kg/h， 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2650rpm。換熱器芯體定義多孔介質(zhì)模型，發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)設(shè)定溫度熱源，并考慮輻射影響。散熱器采用Fluent的換熱器模型定義。
3.3.1、換熱器模型
換熱器模型用于預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙環(huán)境中換熱器組件的冷卻效果，如預(yù)測(cè)輔助流體入口溫度或者整體發(fā)動(dòng)機(jī)放熱量。ANSYSFluent中有兩種可用的換熱器模型：Macro模型和Dual-Cell模型。
Macro模型只需要?jiǎng)?chuàng)建一套網(wǎng)格單元，真實(shí)的單元用于主流體（冷卻流體）一側(cè)，macros用于輔助流體（熱流體）一側(cè)，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真中是普遍使用的模型。Dual-Cell模型需要?jiǎng)?chuàng)建重疊單元，一個(gè)代表主流體一個(gè)代表輔助流體，可以預(yù)測(cè)輔助流體的流動(dòng)和特性[5]。?
3.3.2、大規(guī)模并行計(jì)算
在并行計(jì)算規(guī)模不斷增大的背景下，ANSYS Fluent 軟件在HPC并行能力上持續(xù)發(fā)展，求解器優(yōu)化，計(jì)算更快，并行效率更高。在硬件不變的條件下，軟件并行效率的提升幫助我們?cè)谔幚泶笠?guī)模計(jì)算時(shí)擺脫硬件的限制。Fluent目前是超級(jí)計(jì)算多核并行的世界紀(jì)錄保持者[6]。ANSYS具有GPU并行的功能，對(duì)于計(jì)算量較大的模型還可以選擇性得使用分解的CPU區(qū)域和GPU區(qū)域。
4、仿真結(jié)果分析
4.1、流場(chǎng)結(jié)果分析
流場(chǎng)分析可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的三維詳細(xì)流場(chǎng)特點(diǎn)并分析其潛在影響。我可以輸出的結(jié)果包含前端冷卻模塊(冷凝器、散熱器、中冷器和風(fēng)扇)的計(jì)算風(fēng)量、機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵部件周邊的流場(chǎng)狀況。
統(tǒng)計(jì)格柵的進(jìn)風(fēng)量，計(jì)算通過冷卻模塊的風(fēng)量占格柵進(jìn)風(fēng)量的比重，可以輔助分析出冷卻模塊的冷卻效果。例如可以通過增加導(dǎo)風(fēng)板，調(diào)整冷卻模塊局部布局等方式提高進(jìn)風(fēng)量，從而提升冷卻能力。
以下是Y向截面的速度分布：
發(fā)動(dòng)機(jī)后方的排氣系統(tǒng)屬于高溫部件，排氣附近的風(fēng)速較小會(huì)導(dǎo)致局部溫度過高，因此可以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩等部件的位置及形狀，增大發(fā)動(dòng)機(jī)后方的空氣速度，有助于降低熱害風(fēng)險(xiǎn)。通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注部件附近的流場(chǎng)分布，可以輔助發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的優(yōu)化布局，再結(jié)合熱態(tài)計(jì)算的結(jié)果，可更直觀更準(zhǔn)確的分析溫度結(jié)果，預(yù)測(cè)潛在熱害。
4.2、熱態(tài)結(jié)果分析
以下分別是動(dòng)力總成系統(tǒng)的溫度分布和Y向截面的速度分布：
下圖是散熱器迎風(fēng)面和背風(fēng)面的溫度分布：
以下是散熱器通道分布，以及模擬出的水側(cè)發(fā)熱量分布：
5、結(jié)論及展望
發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真可以分析機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)分布, 如果結(jié)合一維軟件比如GT－SUITE還可以進(jìn)行一維三維耦合，計(jì)算換熱器的匹配。溫度場(chǎng)分析可以預(yù)測(cè)關(guān)注部件的潛在熱害，為機(jī)艙的優(yōu)化提供仿真依據(jù)。
自動(dòng)化網(wǎng)格流程大幅縮短了仿真前處理工作的周期，對(duì)于提升仿真工作效率，縮短研發(fā)周期起到了重要的推進(jìn)作用。本文的模型中包含了僅隔熱罩的固體模型，我們后期會(huì)嘗試增加更多的固體模型，開展流固耦合傳熱計(jì)算。后續(xù)我們會(huì)繼續(xù)拓展自動(dòng)化工作的流程，嘗試將模型設(shè)定也通過腳本驅(qū)動(dòng)來自動(dòng)完成，進(jìn)一步完善自動(dòng)化建模流程。
基于腳本化的網(wǎng)格流程，ANSYS已經(jīng)開發(fā)了ACT模塊，它是基于最佳實(shí)踐的快速網(wǎng)格生成模板，導(dǎo)入幾何文件再輸入部分管理數(shù)據(jù)，可對(duì)復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行包面和體網(wǎng)格生成，支持發(fā)動(dòng)機(jī)艙、氣動(dòng)外流場(chǎng)、艙室冷卻的網(wǎng)格生成。ACT模塊可以最小化人工干預(yù)設(shè)置，伴隨生成過程自動(dòng)生成Excel表格以進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的重用。我們?cè)诜e累自動(dòng)網(wǎng)格流程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步嘗試ACT模塊的應(yīng)用。
作者：訾昌陸1，陳桂杰2，唐連偉2，鐘修林2
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