前言

隨著對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)熱管理的要求越來越高，在三維水平上精確模擬多個(gè)固體和流體區(qū)域已成為開發(fā)高效部件的關(guān)鍵。這對(duì)于存在高度不均勻分布的溫度和傳熱系數(shù)的問題尤其如此，例如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、排氣歧管和后處理系統(tǒng)。STAR-CCM+軟件通過利用最新的高保真物理模型和高效的多相流和流固傳熱模擬技術(shù)，可以準(zhǔn)確評(píng)估這些動(dòng)力總成子系統(tǒng)的熱性能。使用Amesim軟件進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)探索，并與系統(tǒng)仿真耦合，有助于在整個(gè)開發(fā)過程中高效的前置設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和集成，以最小的開發(fā)成本滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

01、發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理分析涉及的零部件包括氣缸蓋、氣門、閥座、導(dǎo)軌、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、墊片和活塞。使用STAR-CCM+軟件種的共軛傳熱(CHT)分析功能，固體溫度場(chǎng)可以與冷卻液回路的流體區(qū)域耦合，也可以與進(jìn)氣和排氣路徑、燃燒室和油路耦合。通過將不同時(shí)間尺度的問題分離到單獨(dú)的模擬中，再加上co-simulation的模擬方法，計(jì)算時(shí)間可以從之前的幾周縮短到幾個(gè)小時(shí)。通常情況下，對(duì)于給定的邊界條件，在流體一側(cè)評(píng)估溫度場(chǎng)和傳熱系數(shù)，直到達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，然后映射到另一個(gè)模擬中作為界面處的邊界條件，并在該一側(cè)獲得各自的收斂的解。這一過程不斷迭代，直到達(dá)到兩側(cè)溫度場(chǎng)平衡為止。對(duì)于燃燒室的熱邊界條件可以考慮利用缸內(nèi)燃燒模擬的循環(huán)平均結(jié)果來模擬。數(shù)據(jù)傳遞也可以利用顯式的映射接口的方法，該方法允許在單個(gè)分析模型中實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度共軛換熱。從而減少流固交換次數(shù)進(jìn)一步提高了計(jì)算速度。于此同時(shí)熱應(yīng)力的分析也可以同步進(jìn)行，利用STAR-CCM+軟件中的FE應(yīng)力求解器直接計(jì)算固體的應(yīng)力場(chǎng)，幫助我們識(shí)別熱應(yīng)力集中的位置，為設(shè)計(jì)提供參考。

 02、發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒分析

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒分析我們一般直接用STAR-CCM+自帶工具cycle-average來模擬，模擬的關(guān)鍵技術(shù)是自動(dòng)變形映射網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的工作流程，物理模型需要Reitz-Diwakar和KHRT 破碎模型，Huh 霧化模型，液膜模型以及燃燒模型等。各個(gè)流體子系統(tǒng)模擬所做的工作組合到一個(gè)模擬分析中，則可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)固體中的周期平均溫度和熱流分布。使用循環(huán)平均工具，我們還可以模擬瞬態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱場(chǎng)景和負(fù)載變化，在三維中整合所有相關(guān)的冷和熱源，實(shí)現(xiàn)相對(duì)系統(tǒng)級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱分析。

 03、SCR后處理分析

選擇性催化還原(SCR)柴油后處理系統(tǒng)，也有非常完善的解決方案。利用co-simulation的方法預(yù)測(cè)流體膜與排氣系統(tǒng)和混合元件壁之間的熱相互作用。該方法分三步進(jìn)行。模型分為A和B兩個(gè)模型，B對(duì)液膜進(jìn)行建模，并將壁面溫度傳遞到模型A。A模型是建模噴霧噴射循環(huán)，將噴射循環(huán)內(nèi)的源從噴霧到膜和氣體的平均溫度傳遞到到模型B。當(dāng)檢測(cè)到壁面溫度的變化影響噴霧邊界條件時(shí)，先啟動(dòng)模型B，模型A會(huì)被從啟動(dòng)。該方法的計(jì)算時(shí)間相對(duì)早期在一個(gè)模型中模擬的方法節(jié)約了較多的計(jì)算成本，同時(shí)獲取大量瞬態(tài)溫度的驗(yàn)證證據(jù)，這也為預(yù)測(cè)SCR系統(tǒng)中流體膜反應(yīng)和沉積提供了條件。雖然該技術(shù)的開發(fā)是為了在SCR分析中實(shí)現(xiàn)高效的長(zhǎng)時(shí)間瞬態(tài)運(yùn)行，但它也可以用于其他由噴霧撞擊和壁濕化現(xiàn)象觸發(fā)的長(zhǎng)時(shí)間冷卻效應(yīng)的領(lǐng)域，如燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)等。

 04、排氣系統(tǒng)熱分析

排氣系統(tǒng)的流固耦合換熱分析通常我們采用流體和固體不同的時(shí)間步進(jìn)行解耦求解。在解耦模擬中，流體和固體通過交界面?zhèn)鬟f信息，映射的接觸交界面特別適用于熱傳遞模擬這些交界面處的網(wǎng)格可以是非共形的。固體和流體在一個(gè)模型中，求解的切換需要用戶自己來定義，根據(jù)我們的工程實(shí)踐，切換法則也就每個(gè)循環(huán)的停止法則考慮用從流體到固體的表面平均或時(shí)間平均熱通量。如果流體求解穩(wěn)定，則此物理量漸近地收斂,溫度將用作從固體到流體的切換條件。

 05、發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒分析

發(fā)動(dòng)機(jī)熱模擬的最終目標(biāo)是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)，那么設(shè)計(jì)更改和優(yōu)化是必經(jīng)之路。設(shè)計(jì)優(yōu)化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)中可以承擔(dān)的工作很多，小到墊片孔大小的分析，大到一維三維耦合熱流耦合的優(yōu)化。以墊片孔優(yōu)化為例，利用STAR-CCM+自帶的Design Manager 工具，基于其SHERPA算法，目標(biāo)是使冷卻水套壓力損失最小化，優(yōu)化墊片孔且滿足所有熱約束。

也可以結(jié)合Amesim一維仿真的優(yōu)化分析。為了計(jì)算實(shí)際瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)循環(huán)條件下冷卻液和固體溫度的變化過程，需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)局部的熱交換，雖然一個(gè)完整的動(dòng)力總成系統(tǒng)的熱分析通過一個(gè)三維的驅(qū)動(dòng)循環(huán)工況能夠完成，但是為了更高效更節(jié)約時(shí)間，我們更推薦用STAR-CCM+流體和一維Amesim耦合的方法。STAR-CCM+模擬關(guān)鍵的三維熱源零部件，而Amesim模擬整個(gè)熱系統(tǒng)，關(guān)鍵的數(shù)據(jù)通過兩個(gè)軟件之間的直接接口做傳遞，從而可以同時(shí)提高了兩個(gè)模型的準(zhǔn)確度。這種聯(lián)合分析方法減低了計(jì)算時(shí)間提高了效率。

一個(gè)典型的案例模擬一個(gè)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)，考慮水套設(shè)計(jì)的局部影響。該方法可以基于三維瞬態(tài)邊界條件來評(píng)估水套啟動(dòng)階段的完整詳細(xì)冷卻液循環(huán)流程。同時(shí)還可以做水套幾何形狀的設(shè)計(jì)探索。將整車系統(tǒng)模擬與高保真發(fā)動(dòng)機(jī)熱和流動(dòng)模擬相結(jié)合，來準(zhǔn)確識(shí)別高熱點(diǎn)并評(píng)估真實(shí)駕駛條件下的冷卻液溫度。一維系統(tǒng)級(jí)分析可以評(píng)估車輛在實(shí)際熱負(fù)荷下的燃油經(jīng)濟(jì)性，而熱負(fù)荷源可以是優(yōu)化變參量。耦合方法可以以經(jīng)濟(jì)有效的方式最大限度地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱性能和可靠性，取代早期的物理測(cè)試，避免后期的故障排除。

 06、總結(jié)

動(dòng)力系統(tǒng)的熱性能直接影響整車的熱性能，因此圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)周邊的動(dòng)力總成子部件的熱性能設(shè)計(jì)及仿真分析尤為重要。我們圍繞這些部件分別建立了各自的熱管理仿真思路及方法并不斷的優(yōu)化技術(shù)思路提高運(yùn)算效率，使其更好的滿足仿真結(jié)果指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最終需求。