車輛熱舒適性挑戰(zhàn)

由于氣候變化以及由此產(chǎn)生的節(jié)能目標(biāo)，評估各種車輛的熱舒適性的需求不斷增加。特別是評估城市公交車的熱舒適性。車輛的電氣化也推動(dòng)了節(jié)能的需求。在這些車輛中，加熱不再是“免費(fèi)”的，就像內(nèi)燃動(dòng)力車輛一樣，從電池中冷卻能量，從而影響車輛續(xù)航里程。

因此，在運(yùn)輸行業(yè)，OEM和供應(yīng)商面臨著在設(shè)計(jì)周期的早期處理熱舒適性的挑戰(zhàn)，以快速做出最佳決策，從而避免低效的后期迭代。在早期設(shè)計(jì)中引入熱舒適性評估應(yīng)該能夠快速、輕松地給出正確的趨勢，而不是因?yàn)樗邢到y(tǒng)組件都沒有最終確定而涉及太多細(xì)節(jié)。應(yīng)針對各種配置和現(xiàn)實(shí)條件，即瞬態(tài)場景，對其進(jìn)行邏輯評估。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，我們經(jīng)常使用系統(tǒng)模擬，但是由于氣流的3D性質(zhì)，使得模擬無法提供足夠的保真度。而使用全三維CFD方法進(jìn)行計(jì)算的經(jīng)典替代方案也不是最佳的，因?yàn)镃AD需要完全可用，并且可以處理的配置數(shù)量也是有限。

Simcenter Amesim嵌入式CFD 概述

考慮到上述挑戰(zhàn)，Simcenter Amesim的嵌入式CFD方法實(shí)際上是將系統(tǒng)模擬方法與Simcenter STAR-CCM+3D CFD方法相結(jié)合的一個(gè)很好的折衷方案。該工具被描述為1D和3D CFD模擬環(huán)境之間的混合工具，受益于這兩種技術(shù)。它提供了3D分辨率的保真度以及接近1D的模擬時(shí)間。

Simcenter Amesim嵌入式CFD為座艙舒適性提供了更多可能性。它可以處理任何類型的機(jī)艙，從2座汽車到整個(gè)商用飛機(jī)?？梢远x自己的幾何圖形、空氣區(qū)域的數(shù)量、通風(fēng)口的位置、材料的類型等等。

城市公交車艙室溫度預(yù)測 

（考慮車門打開和關(guān)閉）

這里將通過多區(qū)域建模方法評估城市公交車熱舒適性的具體場景來說明Simcenter Amesim嵌入式CFD的使用。我們在第一階段模擬整個(gè)巴士冷卻，然后是連續(xù)兩次巴士?？?，在此期間，前門和中門都打開。

Simcenter Amesim模型

下圖顯示了包含座艙組件的HEAT庫。默認(rèn)情況下，該部件有3個(gè)外部端口，用于在左側(cè)連接空氣質(zhì)量流量、溫度、壓力和濕度方面的通風(fēng)口邊界條件，在右側(cè)連接車輛速度和環(huán)境空氣溫度。

Simcenter Amesim客艙熱模型，帶連接通風(fēng)口

構(gòu)建三維幾何體

為了從上述Simcenter Amesim模型構(gòu)建3D幾何結(jié)構(gòu)，從客艙組件啟動(dòng)Simcenter Amesim嵌入式CFD應(yīng)用程序。逐步的GUI可以引導(dǎo)完成1D-3D耦合模擬。

Simcenter Amesim嵌入式CFD幾何步驟

三維幾何體是用XYZ坐標(biāo)和基本塊（如長方體、圓柱體、三維多邊形等）的尺寸構(gòu)建的。其單元可以有三種類型：

• 流體：創(chuàng)建感興趣的流體環(huán)境

• 實(shí)體：創(chuàng)建將作為與空氣交換熱量的實(shí)體處理的對象

• 障礙物：從流體域中清除的材料

可以使用切割平面將全局體積劃分為感興趣的空氣區(qū)域。對于巴士模型，總共定義了16個(gè)空氣區(qū)域，如下所示。

巴士車廂分為16個(gè)空氣區(qū)

為了幫助構(gòu)建幾何體，可以關(guān)聯(lián)一個(gè)動(dòng)態(tài)三維查看器。幾何圖形完成后，可以觸發(fā)Simcenter STAR-CCM+模型。

定義邊界條件并對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分    

在第二步中，可以執(zhí)行以下幾個(gè)操作：

• 重命名幾何圖形中的圖元（體積和面）

• 將邊界條件關(guān)聯(lián)到面

• Simcenter Amesim和Simcenter STAR-CCM+之間要交換的關(guān)聯(lián)變量，只需使用拖放即可

• 定義平均網(wǎng)格大小并允許處理重力

  
  

  Simcenter Amesim嵌入式CFD步驟

模擬瞬態(tài)場景

在運(yùn)行模型之前，在“3D模型到1D草圖”步驟中自動(dòng)生成機(jī)艙的1D結(jié)構(gòu)。在該步驟開始時(shí)，可能需要重新定義連接到艙室的MUX元件的尺寸。完成之后，就可以定義并啟動(dòng)運(yùn)行，然后可以訪問后處理的3D結(jié)果，如下圖所示。

Simcenter Amesim嵌入式CFD 3D運(yùn)行步驟結(jié)果

當(dāng)然，也可以在Simcenter Amesim中查看瞬態(tài)結(jié)果；下圖顯示了冷卻期間16個(gè)空氣區(qū)溫度的演變。 

Simcenter Amesim嵌入式CFD瞬態(tài)冷卻溫度結(jié)果

我們清楚地看到了600秒后公交車兩次停車開門，每次開門約30秒過程的溫度變化影響。

現(xiàn)在讓我們詳細(xì)了解：

• 如何將Simcenter Amesim和Simcenter STAR-CCM結(jié)合起來+

• 如何模擬開門

1D/3D耦合過程細(xì)節(jié)    

作為前面顯示的嵌入式CFD工作流程的一部分，可以自動(dòng)生成Simcenter Amesim和Simcenter STAR-CCM+之間的信息交換，如下所示。可以添加具有導(dǎo)入/導(dǎo)出功能的自定義交換。 

在Simcenter Amesim瞬態(tài)期間，可以定義的事件觸發(fā)這些交換，如下所示。 

在這里，Simcenter STAR-CCM+運(yùn)行是作為穩(wěn)態(tài)計(jì)算執(zhí)行的。事件與“停止”組件關(guān)聯(lián)，可以是基于時(shí)間的，也可以是基于任何系統(tǒng)變量更改的。

在巴士的示例中，有2個(gè)觸發(fā)器：

• 基于時(shí)間的觸發(fā)，間隔不斷增加，以便在冷卻開始時(shí)更準(zhǔn)確

• 一個(gè)與公交車速度相關(guān)的觸發(fā)器，用于處理車門的打開和關(guān)閉

下圖是觸發(fā)器的說明：

3D調(diào)用序列示意圖

開門過程模擬    

在公交車示例的場景中，將環(huán)境溫度設(shè)置為35攝氏度。當(dāng)車門在公交車站期間打開時(shí)，在車門處施加一個(gè)根據(jù)空氣密度差計(jì)算的質(zhì)量流量。為此，需要從門旁邊的空氣區(qū)域獲取空氣溫度和濕度，如下所示。

開門和關(guān)門順序的執(zhí)行  

所用的解析模型由Pham和Oliver定義： 

[參考] Q.T. Pham, D.W. Oliver, Infiltration of air into cold stores, in: Proceedings of 16th International Congress of Refrigeration, vol. 4, 1983, pp. 67–72.

質(zhì)量流量分布如下： 

車門打開時(shí)的外部空氣質(zhì)量流量入口

總結(jié)

車門的打開/關(guān)閉在這里被認(rèn)為是瞬時(shí)的，當(dāng)然可以調(diào)整得更為現(xiàn)實(shí)。由此案例我們已經(jīng)證明，Simcenter Amesim嵌入式CFD是通過多區(qū)域建模方法評估城市公交車熱舒適性的正確工具，尤其是在決策至關(guān)重要的早期設(shè)計(jì)階段。