很長一段時間以來，西門子使用CFD評估鐵路客車氣候控制，但是仿真并未對設計流程產生重大影響，這個情況直到近期才發生變化。內存和處理功能的限制使我們無法將整個車廂作為求解域。這意味著結果的可靠性取決于為問題指定邊界的準確性。令人遺憾的是，大多數邊界所位于的區域，無論是通過測量還是理論計算都無法進行準確確定。例如，許多列車都有為回流留有開口的內門。唯一能準確預測流經這些開口的氣流的方式是，將門另一側的空間也包含在求解域內。

                                                                 ICE 4 列車的仿真模型

久而久之， 西門子氣候控制工程師有能力向他們的管理人員展示仿真的價值，并利用所需的計算資源，以擴大模型的范圍，直至它們把整個車廂包含在內。計算域的邊界從提取的流體內部的浸濕表面移動到車輛的外墻。通過使用共軛熱傳遞，外墻可被當作固體包含在模型內。外墻通常是一個由塑料、隔熱材料和鋁材等構成的多層結構，每一層都必須進行建模。根據標準要求來定義環境條件。此外，還需根據標準中所規定的，將乘客熱源添加到模型中。

每節鐵路客車由15萬個組件組成。HVAC仿真所需的部件數量大于結構仿真的部件數量，但仍然遠遠小于總體仿真的部件數量。從產品數據管理系統手動傳輸所需的部件極為耗時。只要設計有顯著變化，就需要重復該流程。因此西門子工程師研發了一個例行程序，該例行程序能夠將PDM系統中選定的本地或中性格式的數據自動導出，并將數據轉換為Ansys SpaceClaim格式。

然后，工程師使用SpaceClaim 半自動工具清理螺栓和螺栓孔等小部件以及復雜的供應商部件。所有幾何相關的細節均進行顯式建模。工程師還創建了用于流體分析的反向幾何模型。

“這些成本節約還意味著能夠加速產品交付，并增加收入。”

                                                             氣候風洞中的 ICE 4 列車

                                                     車廂內部仿真模型的詳細視圖

西門子工程師使用 Ansys Meshing 自動化例行程序來劃分表面網格和體積網格。他們創建了大約200個不同的子域，這樣就能針對模型的不同區域優化網格。對于有復雜幾何模型的區域，四面體網格是最佳選擇。

針對尤其需要較高的邊界層精度以準確計算固體表面熱傳遞的邊界層，可配合使用六面體單元以及混合的四面體-六面體網格。共軛熱傳遞仿真可用于預測乘客可能會接觸的墻壁的表面溫度，以及與列車內部交換熱量的通道的表面溫度。結果是一個通常有5億到6億個單元的仿真模型，該模型可使用 Ansys Fluent 在高性能計算(HPC)集群上進行求解。

可協助工程師檢查體積流率和能量分布，以及包括車廂內所有座椅位置在內的400多個測量點的仿真結果。西門子工程師詳細地評估仿真結果，將它們與EN13129標準以及客戶的額外要求進行比較。仿真結果幫助工程師全面了解車廂內的溫度和氣流分布，并提示能夠對設計進行改進的地方。工程師經常手動開展參數研究，以確定HVAC系統運行的最佳方式。

“西門子工程師的設計一次性成功，有望將風洞測試的工作量減少50%，相當于縮短兩個月時間。”

仿真驗證是CFD流程中一項嚴格的要求。工程師首先為仿真的參考項目開展驗證，然后在氣候風洞中進行測試。試驗研究的結果與CFD仿真的結果良好吻合，但也顯示了該流程仍需要改進的地方。

借助仿真準確預測HVAC系統的性能，讓西門子工程師在建造和測試第一個產品之前就能以高精確度驗證車廂內的各種條件。在大多數情況下，他們能讓設計一次性成功，有望將風洞測試的工作量減少50%，相當于縮短兩個月時間。

這樣可節省風洞租賃費、人力和設備成本。如此一來，西門子工程師能夠更輕松地評估備選設計方案，將乘客的舒適度提升到標準要求之上，同時無需測試多個產品變型。一旦HVAC系統成為項目的關鍵路徑（雖然這種情況不常見），這些成本節約還意味著能夠加速產品交付，并增加收入。

“西門子工程師成功利用Ansys Fluent CFD軟件對完整的鐵路客車進行了準確的仿真，得到的詳細結果與物理測量結果極為吻合。”