本文轉載翻譯自公眾號VTM Technology Digest

1. 簡介

近年來，汽車零部件不僅要求其基本性能，而且要求在節能、節能、再循環性等與環境性能高的水平上實現兼顧。此外，通過無試驗生產等實現大幅度的開發效率化和開發時間的縮短、初期品質的提高也是非常重要的主題。

在Sunday株式會社的汽車空調業務中，我們引進了 CFD軟件：Star-CD和CAO（計算機輔助優化）軟件：modeFrontier（以下簡稱“Frontier”），作為實現這些目標的工具，并主要用于汽車空調系統的產品開發。

汽車空調系統（圖1）大致分為：

制冷系統：熱交換器（蒸發器、冷凝器）、壓縮機

空氣系統：鼓風機單元、HVAC 單元

這些性能都很大程度上依賴于工作流體的行為，因此CFD成為設計階段性能預測的重要工具。

其中，本報告介紹了CAO應用軟件的初期，2002年進行的HVAC單元CFD仿真的效率化，對其簡易形狀進行的CAO的試行以及熱交換器翅片的CFD和CAO的事例。

2. 案例 （1） HVAC 單元

HVAC 內流分析問題

HVAC單元是最終決定空調性能優劣的重要部件，同時，根據車型、車格，形狀、規格也不同，必須在短時間內完成非常多變化的開發。此外，由于需要對表1所示的各種各樣的空調模式全部進行分析評價，因此強烈要求縮短分析周轉時間。．

PROAM 部署的好處包括：

1. 在計算時間、所需內存量沒有大幅度增大的情況下，可以實現網格生成過程的自動化（時間縮短）和標準化，HVAC設計者可以進行CFD分析（參照表2）。
2. 由于基于Hexa，所以可以容易地對網格數、模型尺寸進行事前估計。
3. 能夠在與進行邊界條件等解析設定的PROSTAR相同的環境下自動生成網格。

等等

作為課題;

1. 在創建Trimmed單元時縮短處理計算時間的專有技術
2. 避免限制的專有技術，如Trimmed單元和多孔設置單元的接合和完全不連續的接合
3. 與 Tetra單元的復合/混合化的研究和專業知識積累

等等。

圖 3 顯示了 針對 H VA C 單元的PROAM-Trimmed單元情況，圖 4 顯示了 Z=0 橫截面中速度和壓力的分析結果示例。

使用Frontier優化形狀參數

為了進一步提高效率，提高初期品質，嘗試了CAO軟件Frontier對HVAC形狀參數的最佳值進行搜索。本次試驗以簡化實際單元的模型為對象，形狀變更使用PROSTAR的塊網格和宏功能進行。圖5表示模型形狀。

1. 進行最佳值搜索的形狀參數為圖5所示的X1~X3、Y1、Z1 ~ Z2以及入口流入角（ θ ）7個，可變范圍、步長如表3所示。PROSTAR接收從Frontier指定的這些參數，并自動生成計算網格。

目標函數為表4所示的3種。也就是說，是使壓損最小，確保大風量的同時，使蒸發器下游的風速分布均勻化，良好地維持溫度控制性的形狀搜索問題。

CAO分析使用與多目標函數對應的MOGA（Multi Objective Genetic Algorithm），計算了 20代。總計算數為390例，截面A、B的速度分布均勻度（標準偏差）與單元壓損之間的權衡關系變得清晰。其情況如圖6所示。

圖7顯示了壓損和截面A速度標準偏差帕累托線上的代表點的形狀和流入口Z方向中心截面的速度矢量圖，另外，均勻的蒸發器下游速度分布確保了蒸發器上游的流路寬度，同時使流入口向蒸發器側傾斜（X1，θ→大，Y1→小）可以實現。

3. 示例 （2） 熱交換器翅片

熱交換器翅片的CFD分析

在本報告中介紹的汽車用空調·電容器的空氣側散熱片上，如圖8所示，切掉了細小的百葉窗，實現了傳熱促進。為了進一步實現高性能化、高效率化、小型化，需要根據對象車輛和所需能力來決定最佳百葉窗的張數、角度、板厚等各種參數，但參數數量多，根據試制·試驗需要巨大的成本和時間，因此基于CFD的參數調整被廣泛使用。

二維分析

從分析成本的優點開始，首先通過簡便的2維分析進行了研究。圖9顯示了分析結果的一個例子。從這樣的分析中，求出翅片的壓力損失和散熱特性，并與實驗進行比較。

圖10顯示了風速與壓力損失和熱通量 （ 實驗和分析均以風速6m/sec的值歸一化）的關系。

特別是關于熱通量，雖然在2維分析中無法進行定量評價，但定性的比較·評價，通過簡便的2維分析是完全可以的，這是設計的活用。

另外，2維分析中可以制作僅通過輸入形狀參數以及分析條件就完全自動地進行網格生成以及條件設定的PROSTAR的宏，可以由 熱交換器設計者自己進行仿真分析。此外，幾乎直接使用本宏，可以進行下述的基于Frontier的形狀參數的最佳值搜索。

使用Frontier優化形狀參數

關于翅片的二維形狀，也進行了基于Frontier的最佳值搜索的試行。對象形狀是與圖8相同的電容器翅片。圖11及表5表示進行最佳值搜索的對象參數。

在表 5 中，翅片總長度（L） 由百葉窗張數（AN）和間距（pitc）、前（后）部分水平百葉窗長度（ahf）和中央水平百葉窗長度（ahc）的總和決定，不能獨立更改這些和 L。

r ＝ ahf／ah c

將ahf和ahc作為由L，AN，pitc以及r的關系式給出的因變量來處理。

根據水平百葉窗長比修正的形狀參數以及各參數的擺幅如表6所示。

PROSTAR接收Frontier指定的這些參數，通過預先制作的宏自動生成計算網格。

目標函數如表7所示，為壓損最小和來自翅片的熱通量最大2種。因此，CAO分析與HVAC相同，使用MOGA算法，計算了10代。

圖12表示得到的壓力損失和熱通量的關系。在本計算過程中，參數取相同值的情況很多，總計算數在約60種情況下結束。我們認為這是因為壓損和熱通量幾乎完全取權衡的關系，難以取得 大幅偏離帕累托線上的值。

圖 12 顯示了帕累托線圖上代表性3點的翅片附近的溫度分布。

隨著熱通量變小，壓損變小，中央部的水平百葉窗長度變長，整體接近平板。另外，隨著熱通量變大，壓損變大，傾斜百葉窗長度變大，向主流的突出量增加。顯示最大熱通量 Case058 的形狀與通常使用的翅片形狀基本相同，可以看出當前的翅片形狀是高熱通量和高壓損耗類型。

總結，今后和未來的問題

• 通過活用PROAM，可以實現HVAC分析網格生成的半自動化和標準化以及周轉時間的縮短，沒有大幅增大分析負荷，為設計者實施分析鋪平了道路，但一部分產生的不合格單元的修整成為課題。
• 之后，為了進一步提高分析效率和標準化，在計算機性能的急劇提高和價格的大幅下降的推動下，依次向Tetra系自動網格轉移。
• 關于翅片，通過簡便的二維翅片分析的應用和分析的自動化，實現了向翅片開發過程的滲透。今后，希望向包括相變分析在內的熱交換器整體的性能預測發展。
• 在HVAC 、翅片形狀參數的CAO試驗中，可以得到合理的結果，通過自動分析，有可能在比較短的時間內獲得大量的見解，但是在活用時，關于參數、目的函數、其評價方法的訣竅和應用程序側的自動網格生成、分析執行、結果評價的訣竅等，關于產品、軟件、硬件的高度/廣泛的知識是必要的。
• 在本試驗實施時，變更形狀參數時的網格的再生成是主要課題。現在，隨著Mesh Morphing技術的發展和普及以及PC集群的普及，進行與本試驗時無法比擬的精密性、柔順性、穩定性的形狀最優化是可能的，正在積極努力中。