車輛熱管理（VTM）仿真在車輛開發(fā)階段變得越來越重要。這些模擬有助于預測驅(qū)動周期內(nèi)關(guān)鍵部件的熱分布。

它們通常使用兩種方法來完成：(1)在單個求解器中求解傳熱的各個方面，即對流，輻射和傳導（共軛傳熱）或(2)使用流體求解器模擬對流并使用單獨的熱求解器計算其他兩種機制（聯(lián)合模擬）。第一種方法通常是計算密集型的，而第二種方法則不是。這是因為聯(lián)合模擬減少了在單個代碼中模擬所有傳熱機制的負荷。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)合仿真過程開發(fā)的方法是特定于負載情況的。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載情況使用。這是通過采用模塊化方法將過程分為三個模塊來實現(xiàn)的：(1)風扇，(2)熱交換器和(3)排氣系統(tǒng)。

對于風扇模塊，開發(fā)了一種新的方法，可以實現(xiàn)(a)更快的模擬時間和(b)模擬動態(tài)風扇速度。利用該模型可以準確地模擬換熱器在熱浸過程中的行為。

針對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。選擇了廣泛的實驗來驗證方法的模塊化。測試包括60公里/小時的上坡駕駛、最大車速、熱浸泡和走走停停。與實驗結(jié)果相比，模擬結(jié)果令人鼓舞。這允許創(chuàng)建用于模擬虛擬測試方案的通用方法。

01  前    言

車輛熱管理（VTM）是車輛開發(fā)過程中的重要組成部分。它有助于在相對較早的開發(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后重新設(shè)計。隨著更嚴格的排放標準的出現(xiàn)，以及在發(fā)動機附近增加后處理裝置，VTM變得比以往任何時候都更加重要。這些設(shè)備的增加導致發(fā)動機艙區(qū)域的封裝限制更嚴格，從而導致該區(qū)域在熱管理方面變得至關(guān)重要。除了發(fā)動機艙由于熱部件之間的距離縮短而承受更高的熱負荷外，發(fā)動機艙下游的部件，即車身下部部件，也會由于熱量從較熱的發(fā)動機艙對流排出而承受更高的熱負荷。

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。這也會導致該區(qū)域的熱負荷增加。這突出了在車輛的整個長度上進行適當?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發(fā)階段是至關(guān)重要的，以避免昂貴的重新設(shè)計。為了確保這一點，必須在車輛進入生產(chǎn)階段之前對其進行充分的測試。通常，這是通過在受控風洞環(huán)境或測試軌道上進行熱負荷測試來完成的。用于這些試驗的風洞通常是氣候風洞，所有相關(guān)的邊界條件都可以事先設(shè)置好。對于風洞外的測試，選擇適當?shù)臏y試地點使車輛承受高熱負荷。物理測試是一種時間和成本密集的熱運行安全實驗方法。這導致了對車輛進行虛擬測試的發(fā)展，作為一種替代方法，首先可以補充，然后最終取代物理測試。

使用虛擬驗證方法的優(yōu)點之一是不需要生成原型，因此硬件成本很低。這些測試使用計算流體動力學（CFD）模擬進行，并利用數(shù)字風洞中車輛的詳細虛擬模型。有兩種常見的方法可以用來進行熱保護模擬：(i)共軛傳熱（CHT）或（ii）聯(lián)合模擬。在CHT方法中，所有的傳熱機制，即傳導、對流和輻射，都是用一個求解器來求解的。這具有在實際情況下模擬這些機制的優(yōu)點，每種傳熱模式都對其他兩種有直接影響。由于建模和計算包含在同一個求解器中，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，對流換熱從傳導換熱機制和輻射換熱機制中分離出來。這通過分離流體和固相降低了模型建立的復雜性。這減少了單個求解器的計算負荷，從而提高了整體效率。雖然這種方法有額外的復雜性，必須在分布式服務(wù)器系統(tǒng)上的兩個不同模型之間交換數(shù)據(jù)，如果交換的數(shù)據(jù)非常大，這可能導致周轉(zhuǎn)時間變慢，但這種方法的總體計算工作量仍然低于CHT方法。

多年來，已經(jīng)進行了多項研究，以開發(fā)車輛熱防護模擬的聯(lián)合仿真方法。然而，這些開發(fā)的方法要么是非常特定于特定的負載情況，要么有不適合在行業(yè)中使用的周轉(zhuǎn)時間。

本研究的目的是開發(fā)一種方法，該方法可以在所有負載情況下進行模塊化測試，以測試車輛的熱運行安全性，同時保持工業(yè)上可接受的周轉(zhuǎn)時間。為了理解如何實現(xiàn)這一目標，了解熱保護模擬的背景以及建模和計算挑戰(zhàn)方面的問題定義非常重要。

當首次引入VTM仿真時，它們用于子系統(tǒng)建模和簡單負載情況。隨著技術(shù)的發(fā)展，這些模擬已被用于整車和復雜載荷情況的建模。然而，負載情況仍然大多限于穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)。在現(xiàn)實中，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試的方法，必須對瞬態(tài)現(xiàn)象和動態(tài)負載情況進行建模，這就是VTM仿真方法的問題所在。之前已經(jīng)有多次這樣做的嘗試[14,15]，雖然這些嘗試在負載情況下工作得很好，但它們已經(jīng)被開發(fā)為在這些負載情況之外的適用性，也就是說，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)時間遠遠超出了預期被認為在工業(yè)環(huán)境中可行的。因此，需要一種模塊化和省時的VTM模擬方法。

創(chuàng)建這種方法來模擬瞬態(tài)現(xiàn)象和VTM模擬中的動態(tài)負載情況，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間步長必須根據(jù)熱量以更快的速率傳遞的介質(zhì)（即流體）來選擇。換句話說，時間步長必須足夠小，以有效地捕捉流體中的熱力學變化。當流體和固相都在一個代碼中建模時，這可能是模擬周轉(zhuǎn)時間的瓶頸，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代碼。然后將這些代碼以預定的頻率耦合起來，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)點之一是，流體和固體相分離和計算獨立。這意味著每個域可以使用不同的時間步長，或者其中一個域可以穩(wěn)定運行。因此，前面提到的必須在每個域中使用極小的時間步長的瓶頸不適用于此方法。使用這種方法的另一個優(yōu)點是，可以使用基于殼的方法簡化實體域的模型，從而減少模型大小，從而減少模擬的計算負荷。

02  設(shè)置

實驗裝置

三個模塊的建模技術(shù)和隨后的完整仿真工作流程都根據(jù)實驗結(jié)果進行了驗證。對于風機和換熱模塊，采用子模型試驗臺進行實驗。所測量的標量是安裝在網(wǎng)格上的36個熱探頭在風扇下游5cm處的溫度場，如圖1所示。子模型測試臺如圖2所示。圖中左側(cè)藍色管道為熱冷劑入口，右側(cè)藍色管道為熱冷劑出口。在這個實驗中，只使用了散熱器，中間冷卻器沒有任何熱空氣流過。這是因為使用子模型準確地表示中冷器內(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，以代表風扇上游的正確壓降。

在整車環(huán)境風洞中進行了實驗，驗證了排氣系統(tǒng)模塊和完整的仿真流程。用于測試目的的車輛是Mini Cooper Clubman John Cooper Works。在整個飛行器上總共設(shè)置了110個測量點來測量表面和流體溫度。使用的測量探頭為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。除了通過熱電偶測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。這是通過在汽車下面放置一個紅外攝像機來獲取不同位置下車身可見部件的熱圖像來完成的。然后將這些圖像與模擬結(jié)果進行比較，以定性驗證排氣管表面存在的溫度梯度。

為本研究建模的負載案例在整個汽車行業(yè)都是標準化的，因此，之前已經(jīng)有方法對它們進行建模。在五種不同的負載情況下進行了實驗，以驗證不同的模塊和工作流方法。

a.以60公里/小時的速度持續(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/小時的速度行駛。室外溫度設(shè)置為45℃。這將在報告的其余部分稱為V100。

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

d.熱浸泡測試，在上述3項主要測試中的任何一項后，車輛停止運行，并關(guān)閉發(fā)動機。風扇運行一段時間，然后關(guān)閉。這就產(chǎn)生了一個強制對流的負載情況，然后是發(fā)動機艙內(nèi)的自然對流。

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

使用B60和V100負載案例對風扇模塊進行驗證，并使用熱交換器模塊對熱浸建模進行評估。排氣系統(tǒng)模塊采用B60和Vmax實驗結(jié)果。使用B60、Vmax、Thermal Soak結(jié)果評估完整的仿真工作流程。

圖1 36個測量點放置在風機后的網(wǎng)格上

圖2 換熱器子模型試驗臺

仿真設(shè)置

為本研究開發(fā)的聯(lián)合模擬過程使用獨特的三碼耦合方法。這涉及到使用三維CFD求解器來求解管道內(nèi)部的外部對流和內(nèi)部排氣流。用熱求解器計算組件的表面溫度。使用一維求解器計算后處理組件（如催化轉(zhuǎn)化器和消聲器）內(nèi)部的流動特性。然后使用耦合工具內(nèi)開發(fā)的聯(lián)合模擬過程對所有這三個代碼進行耦合。利用Haehndel的網(wǎng)格獨立性研究優(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，計算每個部件的傳導和輻射傳熱，對流在CFD求解器中計算，然后從CFD求解器中映射。組件的所有相關(guān)性能，如電導率和比熱，都是從預先存在的材料數(shù)據(jù)庫中獲得的。這些性質(zhì)對溫度的依賴性沒有建立模型。表2總結(jié)了熱求解器的模擬設(shè)置。

排氣系統(tǒng)內(nèi)部流動采用一維代碼建模。表3給出了1D設(shè)置的概述。然后通過耦合工具對所有三個代碼進行耦合，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

該方法對整個排氣系統(tǒng)進行一維建模，對管網(wǎng)進行三維建模。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的3D區(qū)域，如圖5所示。每個區(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耦合工具在每個耦合回路進行更新。同樣，在每個耦合回路中，質(zhì)量流量和出口流體溫度的值都會更新。

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

在這一階段開發(fā)的方法被標記為部分模塊化，因為3D管道和1D組件模型之間沒有向后耦合，因為1D模型是獨立完成的。對于真正的模塊化，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模型中的各個組件已經(jīng)分別建模。每個組件都有自己的入口和出口對象。這些物體形成了與管道的連接，并完成了流動網(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模型導出到3D模型，從而為管道進出口提供邊界條件。此外，對于完全模塊化的方法，組件下游各點的總壓力和流體溫度值被導出回一維模型。這會更新邊界條件，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，從而在兩個模型之間共同實現(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，開發(fā)了一種新的自定義方法來探測和導出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量值的可變性。導出標量值的恒定距離是通過創(chuàng)建具有恒定壁距的等表面，然后探測該等表面上的流體溫度值來實現(xiàn)的。然后根據(jù)公式4所示的流體溫度值計算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，離自由流足夠近，以避免壁面對流體溫度值的影響。它也可能不完全處于自由流中，因為自由流中的流體溫度比壁面所經(jīng)歷的溫度要高。此外，如果與墻壁的距離太大，則可能導致計算溫度值的插值誤差。在測試了各種距離后，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試排氣系統(tǒng)的多種變體提供了機會。這是通過完全或部分地從管道結(jié)構(gòu)中分離公共組件來實現(xiàn)的。通過這種方式，可以對同一排氣系統(tǒng)的多個管道布局進行測試。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的計算

03  方法 

風扇模塊

如前一節(jié)所述，風機仿真的RBM和MRF方法在業(yè)界很流行。為了本研究的目的，首先開發(fā)了一種稱為用戶定義動量源（UDMS）的方法，然后進一步優(yōu)化。UDMS方法的概念是導出在RBM模擬期間風扇區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的力，并隨后將其應(yīng)用于無葉片風扇區(qū)域內(nèi)。這有效地模擬了風扇的影響，而不必在模擬中包括風扇的幾何形狀。

這種方法的主要優(yōu)點是能夠使用正確的力來模擬風扇，而不受較小時間步長的限制。這提高了整個聯(lián)合仿真過程的周轉(zhuǎn)時間。第二個優(yōu)點是計算負載隨著的數(shù)量而減少無葉片區(qū)域的體積單元低于RBM模擬所需的體積單元。

UDMS方法的一個重要缺點是它依賴于數(shù)據(jù)的RBM模擬。每次需要模擬新的風扇速度時，都需要執(zhí)行新的RBM模擬，這增加了總體周轉(zhuǎn)時間。這在風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，初級階段結(jié)束，浸泡階段開始。為了克服這一缺點，開發(fā)了一種新的模擬變速風扇的方法，稱為增強用戶自定義動量源（AUDMS）。

在這種方法中，無葉風扇區(qū)域內(nèi)的力是在特定風扇速度下產(chǎn)生的，然后使用一組增強系數(shù)對其他風扇速度進行增強。

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

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

熱交換器

另一個對發(fā)動機艙內(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)動機艙的熱源，需要對熱交換器模塊進行精確建模，以忠實地表示該區(qū)域的部件溫度。

典型的熱防護實驗場景分為三個階段：(1)預調(diào)節(jié)階段，(2)初級測試，(3)熱浸測試。在一次試驗期間，熱交換器保持在幾乎恒定的溫度。這使得它在主要測試階段成為發(fā)動機艙的穩(wěn)定熱源。這已經(jīng)使用前面提到的方法在整個行業(yè)中進行了精確的建模。

在熱浸泡階段，沒有冷卻劑流過熱交換器，并且已經(jīng)在其中的冷卻劑是靜止的。對于熱浸階段的初始部分，散熱器風扇仍在運行，并啟動換熱器的冷卻階段。使用傳統(tǒng)的建模方法來模擬這一階段會導致一定的數(shù)值不穩(wěn)定性。這就需要創(chuàng)建一種新的建模方法來準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是靜止流體的電導率，單位為W/m·K，Δ2T是溫度梯度的散度，單位為K/m2。

為了實現(xiàn)該方法的功能，在固定冷卻劑的固體區(qū)域和進入發(fā)動機艙的空氣的流體區(qū)域之間創(chuàng)建了一個固體-流體界面。這種界面背后的工作原理很簡單：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，測量了換熱器內(nèi)冷卻劑的體積，計算了冷卻劑的質(zhì)量。然后計算出該質(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。該測量是對車輛中的每個熱交換器進行的。

排氣模塊

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

過去曾有各種嘗試在一個完整的車輛模型中模擬排氣系統(tǒng)溫度如前一節(jié)所述。這些方法與實驗結(jié)果吻合較好，在實際應(yīng)用中效果良好。然而，為了更廣泛地適用于整個行業(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。

為了開發(fā)混合動力模型，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)建模的復雜性，同時保持可接受的精度水平。

排氣系統(tǒng)模塊的開發(fā)分三個階段進行。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完整的1D模型?；旌戏椒ㄊ窃诮５牡谌A段開發(fā)的。第一和第二階段被用來建立各自建模方法的優(yōu)點和缺點。第三階段的目的是克服這兩種方法的缺點。為簡潔起見，這里只描述混合方法。

過去已經(jīng)有一些研究探索了類似的混合方法來模擬排氣系統(tǒng)。然而，這些研究并沒有在一個完整的排氣系統(tǒng)上進行。當前報告中提出的技術(shù)旨在開發(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)。

混合方法的開發(fā)分兩個階段進行：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顯示了用于熱保護測試目的的標準穩(wěn)定負載箱。測試分為三個階段：(a)建立穩(wěn)定啟動條件的預調(diào)節(jié)階段，(b)車輛正在測試的主要測試階段，以及(c)熱浸泡或關(guān)鍵階段，在此階段車輛被關(guān)閉，并允許通過自由對流和強制對流的組合冷卻。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。首先運行CFD模型進行初始化。初始化運行完成后，對流結(jié)果導出到熱求解器。在熱求解器中計算表面溫度后，將結(jié)果導出到CFD模型中。相應(yīng)代碼中結(jié)果的導出和導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，當工作流到達特定任務(wù)時，代碼必須執(zhí)行這些指令。這個完整的交換結(jié)束了一個耦合循環(huán)，整個過程一直運行，直到達到耦合的收斂準則。

圖10中描述的過程解釋了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)，需要導入和導出管道結(jié)構(gòu)的3D對流數(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，所有這些都是通過自定義宏和附加任務(wù)來控制的。此工作流的所有任務(wù)都顯示在圖11中的布局中。

圖9熱管理實驗通用測試方案

圖10耦合工具中的通用工作流

圖11針對1D/3D混合排氣建模方法改進的穩(wěn)態(tài)工作流程

如上所述，初級實驗之后是熱浸階段。這個階段是用一個單獨的工作流建模的。工作流程將在下一小節(jié)中解釋。

05  熱浸

熱浸

前面展示的測試方案的第三階段是所謂的熱浸泡。在最初的測試之后，飛行器停下來，引擎關(guān)閉。在初級試驗中被加熱的部件仍然需要冷卻，以避免熱損壞。這是通過在發(fā)動機關(guān)閉后運行散熱器風扇一段固定時間來實現(xiàn)的。一旦風扇關(guān)閉，自然對流就會起作用，部件的表面溫度在最終下降之前開始上升。這種強制對流和自由對流的結(jié)合是圖9所示測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，并且在文獻中有相當大的工作量。

為了模擬測試方案的這一階段，必須對上述三個模塊進行相應(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)用于風扇模塊，其中RBM來自主模塊通過試驗?zāi)M了熱浸泡階段風扇區(qū)域的受力情況。這節(jié)省了運行熱浸泡階段的RBM模擬所需的計算時間。

排氣模塊沒有針對熱浸泡階段進行廣泛的建模。這是因為在這一階段沒有廢氣流過管道。然而，排氣系統(tǒng)上存在高溫梯度。這與排氣系統(tǒng)對周圍環(huán)境開放的事實相結(jié)合，導致排氣系統(tǒng)內(nèi)部的自由對流氣流。為了模擬這種效果，排氣模塊的1D元件被斷開，而3D管道組件仍然與系統(tǒng)的其余部分相連。為了對排氣系統(tǒng)的外表面進行建模，使用初級模擬結(jié)束時的溫度來初始化熱浸泡階段。

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表示熱交換器矩陣的冷卻。由于這個冷卻階段是一個明顯的瞬態(tài)現(xiàn)象，所以不能用偽瞬態(tài)方法來建模。

因此，必須使用完整的瞬態(tài)-瞬態(tài)耦合方法對其進行建模。在冷卻模塊試驗臺上進行的實驗可以看出，在B60和Vmax負荷情況下，典型的換熱器冷卻階段持續(xù)時間約為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，即使使用固定的時間步長，整個模擬的周轉(zhuǎn)時間也不會顯著增加。

一旦建立了三個模塊，就可以開發(fā)完整的負載情況。熱浸負荷情況可分為兩個階段：(a)開風機時的強制對流和(b)關(guān)風機時的自由對流。第一部分可以進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間內(nèi)完成的。采用擬瞬態(tài)方法模擬了熱浸工況下強迫對流和自由對流的第二階段。該階段將多個穩(wěn)態(tài)CFD模型耦合到熱求解器中的一個瞬態(tài)模型，模擬持續(xù)時間取決于熱浸泡實驗需要運行多長時間。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，使開發(fā)的熱浸工作流程獨一無二。兩種聯(lián)合仿真方法的結(jié)合有助于實現(xiàn)周轉(zhuǎn)時間和精度的最佳組合。圖12顯示了為熱浸泡負載情況開發(fā)的工作流程。

圖12 熱浸負荷工況的偽瞬態(tài)工作流程

在360個處理器上，模擬持續(xù)時間為20分鐘的熱浸泡模擬的周轉(zhuǎn)時間為4.5天。本報告的下一章將詳細討論所開發(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比圖如圖13所示。測量點用紅色表示。測量使用K型熱電偶，公差為±2.5 K。

大多數(shù)為比較選擇的測量點位于發(fā)動機艙區(qū)域。這是因為它是車輛溫度最高的區(qū)域，受所有三個模塊建模的影響最大。從圖13可以看出，模擬溫度值與實驗溫度值的相關(guān)性很好。兩種負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行建模。

此外，對于兩種負載情況，該區(qū)域的溫度接近550 K和700 K。請記住，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驗比較

熱浸

圖14至17顯示了上述熱浸負載情況下20個探頭表面溫度的模擬值和實測值的比較。由于數(shù)據(jù)與時間有關(guān)，為了清晰起見，每個探針都被單獨描述。

從圖14 ~ 17可以看出，實驗值與模擬值吻合較好。風扇關(guān)閉的效果被準確地捕捉到了。有一些特定的點，比如車輛后部的8號探測器，在運行過程中溫度值不會發(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。

三種模塊開發(fā)方法中的兩種在熱浸負載情況下實現(xiàn)。第一個是使用AUDMS方法的風扇模塊第二個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)域的元件溫度與實驗結(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驗之間的密切相關(guān)性。

模擬結(jié)果的一些曲線顯示的響應(yīng)速度或慢或快于實驗結(jié)果。這可以歸因于組件使用了shell方法。對復雜部件使用單一厚度值會導致熱質(zhì)量的差異，因此，模擬與實驗的熱響應(yīng)。模擬和實驗的啟動溫度也有細微的差異。這些是從用于初始化熱浸泡模擬的穩(wěn)態(tài)負載情況中延續(xù)下來的。

在熱浸載荷情況下，組件實驗驗證的一個重要方面是表征峰值表面溫度。峰值值、發(fā)生時間和持續(xù)時間都是決定相關(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驗結(jié)果吻合較好。

圖14測量探頭1-4的熱浸結(jié)果

圖15測量探頭5-8的熱浸結(jié)果

圖16測量探頭9-12的熱浸結(jié)果

圖17測量探頭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)新的方法來模擬整車在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)邊界條件下的熱行為。目前，在現(xiàn)有的關(guān)于VTM仿真的文獻中，還沒有對整車配置的停車和行駛等動態(tài)場景進行仿真。這是由于模擬這樣的驅(qū)動配置文件需要大量的資源，因此需要很高的周轉(zhuǎn)時間。所提出的方法不僅克服了這兩個限制因素，而且在應(yīng)用中也是模塊化的，通過對三個模塊的建模，可以對穩(wěn)態(tài)和動態(tài)載荷情況進行建模。

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使用模塊化方法來優(yōu)化復雜工作流的周轉(zhuǎn)時間。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，對跨越各種邊界條件的負載情況進行建模。

為風扇模塊建模而開發(fā)的AUDMS方法可以顯著減少周轉(zhuǎn)時間。混合模擬排氣系統(tǒng)的方法是獨一無二的，因為它結(jié)合了1D和3D模擬技術(shù)的優(yōu)勢。它還增加了一定程度的模塊化，允許以相對簡單的方式測試各種排氣系統(tǒng)配置。所開發(fā)的模擬熱交換器在熱浸過程中的冷卻階段的方法也改進了現(xiàn)有的偽瞬態(tài)熱浸模擬方法。

通過使用這三個模塊的不同組合，設(shè)計了完整VTM仿真的四個工作流程。結(jié)果表明，所提出的方法能夠相當準確地模擬所有荷載情況。

作為該方法未來發(fā)展的一部分，它可以擴展到高動態(tài)負載情況，如賽道模擬。對單個模塊的進一步優(yōu)化也是一個有待探索的途徑。風扇模塊的AUDMS方法可以擴展到不同車輛的不同風扇幾何形狀，這將進一步提高模塊化。已開發(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并納入其中。此外，可以開發(fā)一個完整的瞬態(tài)-瞬態(tài)仿真工作流程，以更逼真地適應(yīng)所有三個模塊的瞬態(tài)效果。

本文提出的方法是為內(nèi)燃機車輛的熱管理模擬而開發(fā)的。目前汽車工業(yè)的趨勢是朝著部分或完全電氣化的動力系統(tǒng)發(fā)展。雖然這種動力系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱相對較低，但它們在有效的熱管理方面提出了完全不同的挑戰(zhàn)。

看看模塊化方法如何應(yīng)用于這種新的負載情況將是很有趣的。