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作者：明導(dǎo)電子機(jī)械分析部門 John Isaac 在當(dāng)今的汽車領(lǐng)域，許多系統(tǒng)和零部件在設(shè)計(jì)過(guò)程中都需要進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 分析來(lái)確保其最佳的性能、可靠性、成本和上市時(shí)間。這些系統(tǒng)和零部件有可能是結(jié)構(gòu)件，也有可能是電子元件，或者兩者皆是。CFD 分析是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三大方法之一。除此之外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還有一種方法是制作物理樣機(jī)，測(cè)試物理樣機(jī)，之后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并且需要重復(fù)這個(gè)過(guò)程，這種方法花費(fèi)極為昂貴和并且十分費(fèi)時(shí)。還有另外一種方法就是過(guò)度設(shè)計(jì)，這會(huì)帶來(lái)“安全”的解決方案，但可能成本效益較低，而且可能對(duì)想在窄帶寬中運(yùn)行的系統(tǒng)的性能造成損失。在設(shè)計(jì)早期和整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中將“虛擬樣機(jī)”結(jié)合 CFD 分析，能以較低的成本（更少物理樣機(jī)）提供最優(yōu)化的系統(tǒng)，并讓系統(tǒng)更快上市。 復(fù)雜汽車系統(tǒng)中非常有代表性的例子是發(fā)動(dòng)機(jī)和潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)。說(shuō)它復(fù)雜是因?yàn)樗粌H包含冷卻液輸送管道系統(tǒng)，還包含能真正使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套等零部件。讓我們來(lái)探討這一設(shè)計(jì)過(guò)程能如何進(jìn)展以及 CFD 工具如何用于優(yōu)化這一系統(tǒng)。 關(guān)鍵的工具選擇 假設(shè)我們?yōu)橐患艺陂_發(fā)新汽車模型的汽車公司工作，但我們希望使用經(jīng)過(guò)多年驗(yàn)證的可靠發(fā)動(dòng)機(jī)。我們必須設(shè)計(jì)一種新的冷卻系統(tǒng)，它將使用這種發(fā)動(dòng)機(jī)，但要求發(fā)動(dòng)機(jī)和車廂具備新的管道系統(tǒng)。我有兩種 CFD 分析工具，其中一種能用于分析管道系統(tǒng)，可視為一維（指流體在冷卻液管道中單向流動(dòng)）分析。另一種三維工具能分析復(fù)雜流體流動(dòng)和熱交換的零部件。所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)明顯是一維管道系統(tǒng)和三維復(fù)雜零部件的結(jié)合，我該用哪種 CFD 工具來(lái)分析這個(gè)系統(tǒng)呢？ 
圖1 – 該汽車?yán)鋮s系統(tǒng)包含簡(jiǎn)單的管道，以及發(fā)動(dòng)機(jī)水套等非常復(fù)雜的零部件 仿真分析一維工具明顯比三維工具快得多，但在模擬復(fù)雜的水套時(shí)準(zhǔn)確度不夠。但如果我們只使用三維 CFD 工具來(lái)分析整個(gè)系統(tǒng)，我們可以得到我們需要的準(zhǔn)確結(jié)果，但仿真計(jì)算時(shí)間將會(huì)太長(zhǎng)，從而不能實(shí)現(xiàn)利用數(shù)種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的目的。最好的方法還是整合一維和三維工具以及利用二者特長(zhǎng)。 一維-三維 CFD 明導(dǎo)電子最近宣布推出一個(gè)有效結(jié)合和利用一維 CFD 工具 Flowmaster® 和三維工具 FloEFD® 特長(zhǎng)的解決方案。圖2 說(shuō)明了這一結(jié)合了一維和三維的解決方案如何為該例汽車?yán)鋮s系統(tǒng)工作。
圖2 – 結(jié)合一維和三維的 CFD 取兩者之長(zhǎng)，使分析兼具速度和準(zhǔn)確性。 最初，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)師定義了可穿過(guò)水套的壓力和流動(dòng)速率等一系列邊界條件。他們通過(guò)了解待設(shè)計(jì)汽車的常見駕駛情境以及將如何關(guān)聯(lián)到發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速 (RPM) 和水泵性能來(lái)確定這些數(shù)值。 發(fā)動(dòng)機(jī)/水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師使用 MCAD 系統(tǒng)內(nèi)嵌的 FloEFD 工具，在水套上進(jìn)行詳細(xì)的流體流動(dòng)和熱交換分析。她根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提出的邊界值范圍建立了一套 FloEFD 分析。這可能需要通過(guò)三維分析運(yùn)行30、40、甚至更多批模型。這些運(yùn)行生成的數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合成詳細(xì)的特征圖，現(xiàn)在構(gòu)成一套完整的水套模型。模型中輸入了水套邊界條件，生成了冷卻液（和發(fā)動(dòng)機(jī)）流動(dòng)溫度。 該模型被簡(jiǎn)單地嵌入 Flowmaster 工具相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。如今系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能通過(guò)新汽車模型預(yù)期的系列駕駛情境來(lái)進(jìn)行冷卻分析。冷卻系統(tǒng)中可加入設(shè)計(jì)變化，從而運(yùn)行執(zhí)行分析。水套模型保持完好無(wú)缺，因?yàn)樗w了所有可能的操作環(huán)境。 復(fù)雜零部件（水套）三維仿真的準(zhǔn)確性結(jié)合一維冷卻系統(tǒng)分析的速度，將兩者最大優(yōu)點(diǎn)整合到一個(gè)系統(tǒng)中。有了分析速度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠設(shè)計(jì)出在具有最佳性能的小帶寬運(yùn)行的冷卻系統(tǒng)，溫度范圍可能在3-4°C。若冷卻系統(tǒng)在超過(guò)該最佳范圍的溫度下運(yùn)行，則可能導(dǎo)致過(guò)熱以及汽車制造商高額保修費(fèi)用。在低于最佳溫度范圍的溫度下運(yùn)行則可能導(dǎo)致過(guò)度排放和汽油里程數(shù)過(guò)少。 同樣的方法可用于其它汽車系統(tǒng)，如排氣裝置、燃油和車廂空調(diào)等。它還能用于軍事/航空等行業(yè)的燃油供應(yīng)和環(huán)境控制、化學(xué)加工、能源和公用事業(yè)等等。 |
