1. 動力艙熱仿真的任務

動力艙是車輛，船舶，重型機械等裝備的核心部位，通過 CFD 數值模擬，精準分析艙內溫度場與流場的分布，主要完成以下設計目標：

• 優化熱管理與散熱設計，識別過熱區域，評估并優化散熱方案（如風道、冷卻系統布局），防止設備性能下降或損壞；
• 協同布局與風道設計，確保氣流順暢到達關鍵部位，減少回流和短路；
• 換熱器優化，提升傳熱效率，降低流動阻力；
• 風扇優化，匹配系統阻力特性，實現高效低噪運行。

2 ultraFluidX 模擬動力艙流場

和溫度場的優勢

2.1 節省大量 CFD 建模時間

動力艙結構復雜，包含動力設備、冷卻系統、傳動系統、進排氣系統，殼體等復雜幾何特征。傳統網格法 CFD 需要簡化模型，網格質量優化等操作耗費大量人工時間。LBM 方法“無網格”的特點，最大程度保留原始 CAD 特征，允許部件穿透、干涉，STL 三角形面僅用于定義壁面形狀，無須高質量面網格。

2.2 穩健的瞬態高精度求解

LBM 方法是天然弱可壓縮求解，全顯式時間推進方法，不存在隱式迭代發散的問題。LES 大渦模擬準確捕捉流動細節。LBM 法直接求解溫度方程，無須耦合其他求解器。

2.3 快速設計迭代

設計變動，如調整格柵或風扇，僅須替換部件，參數設置，格子生成，求解，后處理報告生成完全批處理自動化。

傳統 CFD 模型的面網格

LBM 求解器的面網格

3 傳統網格法 CFD vs. LBM

4 演示案例

• 機艙尺寸的長寬高為3.6*2.2*1.8米，風扇直徑1米；
• 風扇的上下游各有2個換熱器，外部空氣從上游格柵吸入，從左右兩側和下游的格柵排出；
• 換熱器1已知發熱功率，換熱器2已知入口冷卻液溫度；
• 排氣管，發動機表面，油底殼表面分別設置高溫邊界條件，環境溫度30℃；
• 分別計算風扇旋轉（強制冷卻）和靜止（自動對流）兩種工況。

動力艙外觀

在HyperMesh CFD中導入CAD，采用Discrete→Surface→Rigid Body 方式生成 STL 三角形表面。

發動機裝配體可以采用 CAD Wrapper 方式進行快速包面處理，保留幾何特征，并自動縫合間隙，封閉管路進出口。

CAD

STL 面網格

葉片通常比較薄，Rigid Body 面網格參數設置 element size=5mm，feature angle≈1~5°，確保 STL保留重要高曲率變化面特征。

CAD

STL面網格

設置虛擬風洞的尺寸，基準格子尺寸Far Field=256mm，動力艙Box多層加密，壁面offset加密=2mm，風扇旋轉區域加密4mm。

設置風扇旋轉 OSM 模型。

風扇轉動 OSM 模型

設置壁面溫度邊界條件。

排氣管表面溫度

發動機表面溫度

壁面邊界條件設置

設置空氣屬性和重力方向。

換熱器參數設定：

• 粘性和慣性阻力系數；
• Constant Heat Power 或 Coolant Temperature；
• 冷卻液流量，比熱容；
• Heat Coefficients 定義換熱器性能；
• 換熱器芯上游約5~10mm位置設置監測面，統計入口面的空氣屬性，用于熱平衡計算。

換熱器的設置

換熱器1的性能參數

換熱器2的性能參數

5

換熱器計算原理

5.1 Constant Coolant Temperature 模式

• 用戶指定冷卻液入口溫度，求解器計算換熱器的實際換熱功率和冷卻液的出口溫度；
• 上游監測面用于統計來流空氣的速度，密度和溫度；
• 換熱功率Q (h0/h1/h2為用戶輸入的換熱系數)；

• 冷卻液出口溫度。

5.2 Constant Heat Power 模式

• 用戶指定換熱功率，求解器計算冷卻液的進/出口溫度；
• 上游監測面用于統計來流空氣的速度，密度和溫度；
• ? 空氣側溫升

  ? 冷卻液的進出口溫度

設置Section Cut的位置，保存水平和垂直2個切面數據的頻率和變量名稱。

設置Run time物理時長，和Scaling factor系數：

• 溫度場計算通常5~60秒之間，Scaling factor設置2~5，可以加速計算。

Thermal Model：

• 強制冷卻Passive scaler；
• 自然對流Boussinesq。

為了加速計算，可以先采用粗格子，虛擬風扇（P-Q曲線）模型快速計算，獲得近似結果。再將結果映射到細密格子，OSM風扇動網格模型計算，最終獲得高精度結果。（詳見在線幫助Expert Parameters章節的<initialization> - <seeding>功能）

本案例粗格子模型voxel為5百萬，物理時間18秒，4v100計算1.6小時；精細格子模型voxel為8千萬，物理時間3.8秒，4v100計算12小時。

6

ultraFluidX 分析結果后處理

垂直切面的格子分布

水平切面的格子分布

6.1 強制冷卻工況，風扇500RPM

垂直切面的瞬態風速

垂直切面的瞬態溫度

風扇從環境吸入空氣，由于擋板的封閉作用，冷空氣先全部穿過換熱器1的芯部，流經發動機熱表面，從兩側格柵排出一部分熱空氣，最后再經換熱器2和格柵排出。

水平切面的瞬態風速

水平切面的瞬態溫度

ultraFluidX求解器輸出換熱器的性能參數在工作目錄的uFX_monitoringSurfaces\uFX_monitoring_surface.txt

換熱器1冷卻液進出口溫差約10℃

換熱器2功率約10.8kw

6.2 自然對流工況，風扇靜止，發動機表面高溫

垂直切面的瞬態風速

垂直切面的瞬態溫度

水平切面的瞬態溫度

7總結

ultraFluidX 采用 LBM 方法分析動力艙溫度場和流場：

• 快速評估換熱器性能，精確計算流經換熱器的空氣流量、溫差以及換熱效率，例如分析通過增大格柵開口和加裝導流罩來增加新風量，從而提升換熱器散熱效率；
• 評估熱氣回流現象，防止加熱后的空氣沒有順利排出機艙，反而再次被吸入冷卻模塊前端，降低換熱效率；
• 識別機艙內對高溫敏感或易受熱影響的部件（如線束、ECU、電池包等），并預測其在極端工況（如風扇停轉）的溫度水平，評估是否存在過熱風險（熱害分析）；
• 幾何無須簡化，快速評估復雜裝配體內部的實際流動狀態和溫度場。在關鍵區域（如換熱器表面、格柵進口、風扇周圍）進行非常精細的空間離散，并基于多 GPU 并行加速計算，整體仿真效率優于傳統網格法 CFD。

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