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。

2ultraFluidX 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。

6ultraFluidX 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。

全球100個AI應用案例電子書下載

△Altair 正式發布全球100個AI應用案例電子書，內容覆蓋10+行業的100個AI應用場景。點擊圖片立即獲取，了解全球AI驅動工程設計應用成功案例，以及AI技術如何為工業制造業的產品全生命周期帶來賦能與革新。

申請免費試用

如您對 Altair 軟件及解決方案感興趣

歡迎掃描二維碼申請免費試用：

關于 Altair 澳汰爾

Altair 是計算智能領域的全球領導者之一，在仿真、高性能計算 (HPC) 和人工智能等領域提供軟件和云解決方案，服務于16000多家全球企業，應用行業包括汽車、消費電子、航空航天、能源、機車車輛、造船、國防軍工、金融、零售等。

近期，Altair被全球工業軟件領導者西門子收購，成為西門子數字化工業軟件(Siemens Digital Industries Software)旗下成員，進一步鞏固西門子在仿真和工業人工智能領域的全球領導者地位，其技術正與西門子Xcelerator解決方案進行深度整合。

欲了解更多信息，歡迎訪問：

www.altair.com.cn