行業：汽車

    挑戰：在汽車的應用中，如車形氣 動特性、發動機艙內部流動 或座艙內部流動、邊界層的 幾何外形會及其復雜，在這 種情況下，通常的網格劃分 方式需要好幾周，這對于縮 短汽車設計周期是難以接受 的。如何選擇高效的工具來 進行模擬座艙內部流體動力 學分析成為一大挑戰

    Altair 解決方案：利用 AcuSolve 預測汽車乘 客瞬態的熱舒適性及除霜、 除霧的性能。

    優點：采用 AcuSolve 軟件可以很 好模擬座艙內部熱舒適性分 析及除霜除霧分析，包括了 太陽輻射、封閉輻射、濕度 等眾多因素影響，仿真效果 很好。

    背景介紹 

         偉世通公司采用 Altair CFD 軟件 AcuSolve 預測汽車乘客瞬態的熱舒適性及除霜、 除霧的性能。人體舒適模型考慮了溫度、速度、太陽輻射、濕度、衣服材質和乘客的活 動。為了考察更詳細的乘客瞬態舒適性，還置入了假人模型。為了預測除霜性能，將一 層冰置于車窗表面，冰融化的這一過程可用潛熱模型捕捉。除霧性能可以通過當地的車 窗表面空氣飽和來預測。   

    挑戰 

    CFD 模型的建立

CFD 分析最耗時的是建立一個合適的 CFD 模型。與此相比，純粹的計算時間在一 定程度上顯得略為不重要一些。在汽車的應用中，如汽車空氣動力學特性、發動機艙內 部流動或座艙內部流動等表面幾何外形會極其復雜，在這種情況下，通常的網格劃分方 式需要好幾周，這對于縮短汽車設計周期是難以接受的。 通常在設計初期，詳細的 CAD 幾何外形通常還不具備，因此建立幾何參數化的模型是十分有效的。如下圖所示。

詳細分辨流場和溫度場需要詳細的幾何外形和網格。由于參數化后，幾何外形的改 變十分的迅速和容易，比如設計不同形狀的進口和出口會大大加速。 

非結構四面體網格全自動方式生成，表面網格的密度及邊界層網格需要手工設定。 為了充分的預測座艙內部壁面的熱流，有必要精確分辨近壁區域的流場和溫度場，因此 邊界層要充分分辨。      

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    “隨著汽車設計周期的縮短和客戶期待汽車性能的不斷提升，CFD在汽車研發的過程中扮演著越來越重要的地位。采用AcuSolve軟件可能很好模擬座艙內部熱舒適性分析及除霜除霧分析，包括了太陽輻射、封閉輻射、濕度等眾多因素影響，仿真效果很好。” 

                                                                                                                            Dipl.-Ing.R.Ambs 

                                                                                                                            VisteonCorporation                                                                                                               

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    解決方案

    乘客的熱舒適模型

             流場或溫度場的直接結果如速度，溫度無法主觀的反應出乘客的熱舒適性。因此需要發展一種可以直接為舒適性劃分等級的主觀衡量方法。這樣的方法有很多，這里采用Visteon和堪薩斯州立大學聯合開發的基于瞬態能量平衡的方法。乘 客的身體被劃分成17塊部分。

             乘客身體的每部分除了考慮平均溫度、速度大小，還考慮了太陽輻射、濕度、衣服材質及乘客的活動，采用Visteon 的熱舒適性模型可以分為幾個等級。

             空調制冷模擬

             一個標準的制冷模擬可分為好幾步。汽車置于大氣溫度43°C的條件下，用太陽能燈照射直到座艙平均溫度達到60°C。太陽能燈的輻射功率是1000W/m2。在空調關閉的條件下，艙內的溫度由地板附近的50°C至車頂的80°C。要達到這一目的，要首先模擬太陽輻射這一浸透過程。流動完全是自然對流，沒有進口，也沒有出口。這一模擬過程節點的速度，壓力，溫度，湍流參數可以輸出并用于制冷模擬的初始條件。

             空調制熱模擬

             與制冷模擬相比，制熱相對所需時間要少。空氣濕度在制熱模擬中可以忽略，因此不需要求解物種運輸方程。另外也不需要計算太陽輻射。然而由于座艙內的溫度差仍然較大，因此仍需封閉輻射模型。總的來說，計算成本要低。

             加入假人模型

             在標準的風洞測試中，一般沒有人體模型置于測試車輛中。之前的CFD模擬也沒有加入假人模型。但如果要對乘客的熱舒適性了解更詳細的話，可以加入人體模型。

             除霜除霧模擬

             除霜模擬擋風玻璃及側窗玻璃薄冰層的融化時間和融化形態。該模擬用來評價空調系統是否能夠產生足夠的暖空氣傳輸到擋風玻璃及側窗玻璃上。

             除霜模擬十分依賴于幾何外形，因此模擬的前提要保證幾何外形的精確度。一些重要的幾何參數包括擋風玻璃大小、傾斜角和曲率、除霜出口的大小和形狀、出口與擋風玻璃底部的距離等。冰層和玻璃采用熱殼單元建模，施加一定的密度、比熱及熱傳導率等屬性，同時也給一定的厚度。玻璃的這些屬性是恒定的，而冰層融化后，冰層的材料屬性隨著時間而改 變。假定冰層在+1°時才開始融化。為了精確捕捉座艙內空氣與玻璃表面的對流傳熱，近壁層需要大量的邊界層網格。下圖是10分鐘時除霜通道出口（計算域的進口）冰層融化的形態（以速度云圖表征）及冰層融化在不同時間的合成圖。擋風 玻璃的底部最開始融化，用(X)標出。

             除霧與除霜的模擬類似。主要的工作在于定義什么條件下是霧，什么條件下不是霧。霧化十分依賴于玻璃表面附近的局部空氣流動狀態，因此近壁面需要大量的邊界層網格。同樣也需要一套方法來定義玻璃表面多少水汽可以被人肉眼看見。本文中對于座艙內空氣中得水的含量以及壁面水汽量采用基于當地空氣或固壁表面溫度，水汽的分壓及當地的相對濕度來 計算確定。當當地的水汽質量分數高于飽和度，則該處有霧出現。玻璃的材質，周圍的環境對成霧的影響很大，因此跟除 霜類似，玻璃也采用多層熱殼單元建模，同時根據外部空氣的速度和溫度確定合適的對流傳熱系數。

             上右圖是座艙第二排側窗玻璃表面的除霧模擬過程，紅色表示有霧區域，藍色表示干凈區域。模擬的初始向座艙引入 一定量的水汽，而此時空調系統關閉。打開空調系統后，干燥的空氣作用到側窗表面，隨著時間的推進，除霧范圍擴大。  

    結論 

    隨著汽車設計周期的縮短和客戶期待汽車性能的不斷提升，CFD在汽車研發的過程中扮演著越來越重要的地位。這表 明在開發汽車空調系統時，更多的測試要在更短的時間內完成。采用AcuSolve軟件可以很好模擬座艙內部熱舒適性分析及除霜除霧分析，包括了太陽輻射、封閉輻射、濕度等眾多因素影響，仿真效果很好。    

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