本田——為什么熱管理 CFD 需要全耦合共軛傳熱仿真

Fidelity CFD

2023年5月25日 17:47

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作者：Lohitasyudu Gorli，航空、多物理場和燃燒產品及應用工程師，Kilian Claramunt，多物理場組長，Yingchen Li，Openlabs & Adjoints Responsible - Cadence Design Systems

汽車行業的開發周期不斷縮短，推動了對可靠的自動化仿真過程的需求，以在短時間內提供準確的結果。此外，隨著計算資源的可用性和成本效益不斷提高，計算流體動力學 (CFD) 模擬能夠順利處理越來越復雜的物理及其相互作用。

在此背景下，本田正在尋找一個用于完全耦合仿真的綜合工具鏈，以解決整車熱管理問題，以用于本田 CR-V 車型的設計。他們需要準確、真實的結果，并希望大幅減少獲得這些結果所需的總體工程時間。他們選擇了 Cadence Omnis，在下面描述的案例中，您可以了解他們是如何實現目標的。

項目介紹

對于本田 CR-V SUV 模型的設計，本田希望獲得詳細汽車幾何形狀的全耦合熱 3D-CFD RANS 模擬。模擬的主要目的是清楚了解汽車引擎蓋下的所有熱學方面。需要考慮所有相關的熱源：發動機、排氣系統、散熱器、冷凝器和風扇。

他們需要一種能夠處理大規模耦合仿真的求解器，同時在一個仿真中考慮外部流動、旋轉組件、多孔介質、共軛傳熱、熱交換器建模和輻射。Omnis Open-DBS 就是他們的答案。對于網格劃分，他們使用了Omnis Hexpress，特別關注非結構化、共形、多塊網格劃分，為復雜、詳細的網格提供了令人印象深刻的周轉速度。

嚙合

模擬需要一個高質量的網格，其中包含用于汽車所有部分的塊，這些塊可以充當散熱器或熱源，或者在熱傳導、對流或輻射中發揮重要作用。

相鄰網格塊和相應界面的定義是自動完成的，顯著減少了設置工程時間。這也確保了所有塊之間的連接是共形和匹配的，消除了由插值引起的不準確。

使用 Omnis Hexpress，可以立即導入原始的、不完美的 CAD 數據，無需任何手動預處理或調整。這意味著可以進一步顯著節省工程時間。

本田——為什么熱管理 CFD 需要全耦合共軛傳熱仿真的圖1 本田——為什么熱管理 CFD 需要全耦合共軛傳熱仿真的圖2

圖 1：本田 CR-V 車型的幾何和網格組合視圖

圖 2：發動機缸體的剖切部分，排氣歧管內有空氣，網格完全共形的外部空氣

總的來說，由此產生的多塊網格包含 57 個不同的塊，所有這些塊都通過節點共形界面連接。對于可行性研究，第一次嘗試沒有插入粘性層。相反，壁函數用于模擬邊界層中的流動。這種方法導致了 4.2 億個單元的網格大小，涵蓋流體和固體域，在 32 個核心上在不到 9 小時的時間內創建。

共軛傳熱

為了獲得真實和準確的傳熱預測，在能量方程中考慮了幾何體的不同固體部分，并分解了熱傳導方程。固體的熱性能由它們的導熱系數表征。在固液界面，熱通量基于固體和流體之間的溫度梯度隱式應用。

表面對表面輻射

發動機表面、排氣管和其他框架之間的輻射能交換幾乎不受氣流影響，因此選擇表面對表面 (S2S) 輻射模型來模擬冷熱部件之間的輻射熱交換.

通常假設所有表面都是灰色的漫反射器（因此也是吸收器），以及灰色的漫反射器。有了這些假設，就可以應用輻射度-輻照度方法 [2]，需要計算視角因子。在 OMNIS Open-DBS 中，隨機光線追蹤方法 [3,4,5,6] 用于計算這些視角因子。

得益于光線追蹤算法的高性能，本田汽車的視角系數可以在一個小時內計算出來，使用 200 多個處理器，每個邊界面使用 1,000 次光線拍攝。輻射與流的耦合可以應用于可選擇的水平。當輻射很強時，可能需要更多的耦合周期。

換熱器型號

散熱器和冷凝器被建模為具有各向同性壓力損失的多孔介質。Omnis Open-DBS 的 OpenLabs 用于定制這兩個模塊，確保每個模塊的壓降與實驗數據相匹配。對于散熱器塊，除了壓降之外，還定義了穩態 CFD 計算和熱一維計算之間的耦合策略。冷卻液溫度在其整個流動路徑中變化，散熱器在塊體上方的散熱不均勻。熱交換器子系統由主要流體、空氣的 CFD 網格和沿著由冷卻劑定義的輔助流體流動方向重疊的二維粗化網格形成。這種通過將換熱器核心分成宏觀單元來建模換熱器核心的方法，

旋轉機械

對于反向旋轉風扇，OMNIS Open-DBS 提供兩種型號。可以使用不包含整個幾何形狀但僅模擬對流動的影響的致動器盤模型來引入增加的動量和能量。然后可以通過可編程的 OpenLabs 接口定義源術語。另一種方法是構建包含風扇的圓柱形塊，然后使用轉子/定子接口將它們連接到周圍的域。本田選擇了第二種方法，結合凍結轉子接口。雖然這只代表時間上的快照，但優點是魯棒性高和計算成本低。包含風扇的塊與外部空氣域共形連接。

本田——為什么熱管理 CFD 需要全耦合共軛傳熱仿真的圖3