汽車(chē)冷卻系統設計過(guò)程探究及系統優(yōu)化

在當今的汽車(chē)領(lǐng)域，許多系統和零部件在設計過(guò)程中都需要進(jìn)行計算流體力學(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。這些系統和零部件有可能是結構件，也有可能是電子元件，或者兩者皆是。CFD分析是系統設計的三大方法之一。除此之外，系統設計中還有一種方法是制作物理樣機，測試物理樣機，之后對設計進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并且需要重復這個(gè)過(guò)程，這種方法花費極為昂貴和并且十分費時(shí)。還有另外一種方法就是過(guò)度設計，這會(huì )帶來(lái)“安全”的解決方案，但可能成本效益較低，而且可能對想在窄帶寬中運行的系統的性能造成損失。在設計早期和整個(gè)設計過(guò)程中將“虛擬樣機”結合CFD分析，能以較低的成本（更少物理樣機）提供最優(yōu)化的系統，并讓系統更快上市。

　　復雜汽車(chē)系統中非常有代表性的例子是發(fā)動(dòng)機和潤滑油冷卻系統。說(shuō)它復雜是因為它不僅包含冷卻液輸送管道系統，還包含能真正使發(fā)動(dòng)機冷卻的發(fā)動(dòng)機冷卻水套等零部件。讓我們來(lái)探討這一設計過(guò)程能如何進(jìn)展以及CFD工具如何用于優(yōu)化這一系統。

　　關(guān)鍵的工具選擇

　　假設我們?yōu)橐患艺陂_(kāi)發(fā)新汽車(chē)模型的汽車(chē)公司工作，但我們希望使用經(jīng)過(guò)多年驗證的可靠發(fā)動(dòng)機。我們必須設計一種新的冷卻系統，它將使用這種發(fā)動(dòng)機，但要求發(fā)動(dòng)機和車(chē)廂具備新的管道系統。我有兩種CFD分析工具，其中一種能用于分析管道系統，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雜流體流動(dòng)和熱交換的零部件。所要設計的系統明顯是一維管道系統和三維復雜零部件的結合，我該用哪種CFD工具來(lái)分析這個(gè)系統呢？

　　圖1：該汽車(chē)冷卻系統包含簡(jiǎn)單的管道，以及發(fā)動(dòng)機水套等非常復雜的零部件

　　仿真分析一維工具明顯比三維工具快得多，但在模擬復雜的水套時(shí)準確度不夠。但如果我們只使用三維CFD工具來(lái)分析整個(gè)系統，我們可以得到我們需要的準確結果，但仿真計算時(shí)間將會(huì )太長(cháng)，從而不能實(shí)現利用數種設計方法進(jìn)行虛擬實(shí)驗的目的。最好的方法還是整合一維和三維工具以及利用二者特長(cháng)。

一維-三維CFD

　　明導電子最近宣布推出一個(gè)有效結合和利用一維CFD工具Flowmaster和三維工具FloEFD特長(cháng)的解決方案。圖2說(shuō)明了這一結合了一維和三維的解決方案如何為該例汽車(chē)冷卻系統工作。

　　最初，冷卻系統設計師定義了可穿過(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)了解待設計汽車(chē)的常見(jiàn)駕駛情境以及將如何關(guān)聯(lián)到發(fā)動(dòng)機最大扭矩轉速（RPM）和水泵性能來(lái)確定這些數值。

　　圖2： 結合一維和三維的CFD取兩者之長(cháng)，使分析兼具速度和準確性

　　發(fā)動(dòng)機/水套的結構設計師使用MCAD系統內嵌的FloEFD工具，在水套上進(jìn)行詳細的流體流動(dòng)和熱交換分析。她根據系統設計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)三維分析運行30、40、甚至更多批模型。這些運行生成的數據自動(dòng)擬合成詳細的特征圖，現在構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）流動(dòng)溫度。

　　該模型被簡(jiǎn)單地嵌入Flowmaster工具相關(guān)數據庫。如今系統設計師能通過(guò)新汽車(chē)模型預期的系列駕駛情境來(lái)進(jìn)行冷卻分析。冷卻系統中可加入設計變化，從而運行執行分析。水套模型保持完好無(wú)缺，因為它涵蓋了所有可能的操作環(huán)境。