新能源汽車?yán)鋮s風(fēng)扇氣動性能仿真的案例
基于CFD 的新能源汽車冷卻風(fēng)扇氣動性能仿真分析
摘要：以某新能源汽車的7葉片的冷卻風(fēng)扇為研究模型，通過STAR CCM+軟件中Realizable k-ε湍流模型對其進行定常三維數(shù)值計算.首先進行了網(wǎng)格數(shù)量的無關(guān)性驗證；然后通過試驗驗證了數(shù)值計算模型的準(zhǔn)確性，并對冷卻風(fēng)扇內(nèi)部流場壓力與速度分布進行了分析；最后分析了葉片個數(shù)參數(shù)對冷卻風(fēng)扇氣動性能的影響.結(jié)果表明：相同轉(zhuǎn)速的工況下，當(dāng)冷卻風(fēng)扇靜壓相同時，隨著葉片個數(shù)增多，其產(chǎn)生的流量越大.在冷卻風(fēng)扇的靜壓效率方面，在風(fēng)扇靜壓170-200 Pa左右時，9葉片風(fēng)扇靜壓效率最高.在其他靜壓區(qū)間，當(dāng)葉片數(shù)為7、8時，風(fēng)扇靜壓效率要高于9葉片風(fēng)扇.研究可以為新能源汽車?yán)鋮s風(fēng)扇氣動性能優(yōu)化提供依據(jù).
近些年新能源汽車在中國發(fā)展迅速，新能源汽車的電子冷卻風(fēng)扇是整車熱管理重要組成部分，電子冷卻風(fēng)扇的設(shè)計要滿足電驅(qū)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)的冷卻需求；同時，電子冷卻風(fēng)扇也會對新能源汽車的NVH性能影響很大.因此，設(shè)計出冷卻性能好與低噪音的電子冷卻風(fēng)扇是至關(guān)重要的.CFD仿真分析技術(shù)的出現(xiàn)可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時降低開發(fā)成本，更可以從機理上研究冷卻風(fēng)扇的流動細節(jié)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到冷卻風(fēng)扇的開發(fā)中.當(dāng)前對冷卻風(fēng)扇的研究主要集中在輪轂比、葉片個數(shù)、葉頂間隙、葉片安裝角與葉片形狀等方面對冷卻風(fēng)扇性能的影響.
展開 設(shè)計仿真 | Cradle CFD助力新能源汽車電驅(qū)動設(shè)備噴油冷卻散熱仿真
海克斯康工業(yè)軟件旗下的Cradle CFD軟件能提供實用的、先進的計算流體動力學(xué)仿真和可視化解決方案。它具有卓越的處理速度、精細的技術(shù)和高用戶滿意度，已被用于汽車、航空航天、電子、建筑、風(fēng)扇、機械和海洋開發(fā)等領(lǐng)域，以解決熱和流體問題。除此之外，Cradle CFD整合了多物理場協(xié)同仿真和單向聯(lián)合仿真功能，以實現(xiàn)與結(jié)構(gòu)、聲學(xué)、電磁、機械、一維、優(yōu)化、熱環(huán)境、3D CAD和其他分析工具的耦合，從而使用戶能夠有效地解決跨多個學(xué)科的工程問題。Cradle CFD強大的后處理功能，可以生成視覺上逼真的仿真圖形，輕松表達仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，為用戶實現(xiàn)高級仿真處理并提供更好的設(shè)計建議。
圖1 Cradle CFD 進行汽車及飛行器外氣動模擬
新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)是指利用電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能來驅(qū)動車輛運行的系統(tǒng)，是新能源汽車的核心部件。該系統(tǒng)的散熱對整車安全和高效運行有重要影響。
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海克斯康工業(yè)軟件旗下的Cradle CFD軟件能提供實用的、先進的計算流體動力學(xué)仿真和可視化解決方案。它具有卓越的處理速度、精細的技術(shù)和高用戶滿意度，已被用于汽車、航空航天、電子、建筑、風(fēng)扇、機械和海洋開發(fā)等領(lǐng)域，以解決熱和流體問題。除此之外，Cradle CFD整合了多物理場協(xié)同仿真和單向聯(lián)合仿真功能，以實現(xiàn)與結(jié)構(gòu)、聲學(xué)、電磁、機械、一維、優(yōu)化、熱環(huán)境、3D CAD和其他分析工具的耦合，從而使用戶能夠有效地解決跨多個學(xué)科的工程問題。Cradle CFD強大的后處理功能，可以生成視覺上逼真的仿真圖形，輕松表達仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，為用戶實現(xiàn)高級仿真處理并提供更好的設(shè)計建議。
圖1 Cradle CFD 進行汽車及飛行器外氣動模
擬
新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)是指利用電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能來驅(qū)動車輛運行的系統(tǒng)，是新能源汽車的核心部件。該系統(tǒng)的散熱對整車安全和高效運行有重要影響。數(shù)值模擬仿真技術(shù)將計算機虛擬計算代替實物實驗，不僅節(jié)約了實驗室占用，加工物料等成本，還能大大減少參數(shù)采集周期，具有成本低、周期快的特點。
圖2 電驅(qū)動系統(tǒng)
在對電驅(qū)動設(shè)備的噴油冷卻進行模擬仿真的過程中，數(shù)值模擬技術(shù)對計算機的“算力”有較高要求，數(shù)值計算要求CPU并行線程多，內(nèi)存存儲大。惠普Z8 G4 臺式工作站完全符合使用需求，其搭載了2顆10核心20線程高并行CPU，共計20核心，40線程，CPU浮點計算速度為2.4GHz，同時擁有4塊32GB，共計128GB的高速存儲內(nèi)存，高配置專為企業(yè)級數(shù)值計算而生。
展開 低頻電磁仿真|新能源汽車性能提升的利器
世界各國紛紛制定降碳、減碳措施，中國在2020年提出了“3060”雙碳目標(biāo)，而大力發(fā)展 </span><span style="color: rgb(0, 128, 255);"> </span><strong style="color: rgb(0, 128, 255);">新能源汽車 </strong> <span style="background-color: rgb(255, 255, 255);">是實現(xiàn)目標(biāo)切實有效的重要舉措，新能源汽車逐漸替代傳統(tǒng)燃油車也成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。</span></p><p class="ql-align-center"><strong>永磁同步電機——新能源汽車的心臟</strong></p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/ibpDE5Ufq6Tz2QZN6D1YdGRYPbWLJzj9iahvgt7xYCKBbGLuUZ81243uu9VTTupPLpyib2ribTvmibqXIAQYBkvVgqw/640?wx_fmt=png&from=appmsg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" alt="圖片" width="575"></p><p>當(dāng)前，我國新能源汽車產(chǎn)銷量穩(wěn)居全球第一。隨著新能源汽車的普及，電機作為新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心組成部分，其重要性不斷凸顯。電機可以使電能轉(zhuǎn)化為機械能，通過傳動系統(tǒng)將機械能傳遞到車輪，驅(qū)動汽車行駛。
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低頻電磁仿真 | 新能源汽車性能提升的利器
永磁同步電機 新能源汽車的心臟
近年來，全球變暖的趨勢日益加劇，極端天氣事件層出不窮，這些現(xiàn)象都反映出當(dāng)前氣候形勢的嚴(yán)峻性。為了應(yīng)對這一全球性挑戰(zhàn)，各國紛紛采取行動，制定了一系列降碳、減碳的措施。中國在2020年提出了“3060”雙碳目標(biāo)，推動以二氧化碳為主的溫室氣體減排。在此背景下，大力發(fā)展新能源汽車成為實現(xiàn)目標(biāo)切實有效的重要舉措，新能源汽車逐漸替代傳統(tǒng)燃油車也成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
當(dāng)前，我國新能源汽車產(chǎn)銷量穩(wěn)居全球第一。隨著新能源汽車的普及，電機作為新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心組成部分，其重要性不斷凸顯。電機可以使電能轉(zhuǎn)化為機械能，通過傳動系統(tǒng)將機械能傳遞到車輪，驅(qū)動汽車行駛。永磁同步電機憑借其高功率密度、高轉(zhuǎn)矩、體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換率高等方面的優(yōu)勢，已成為新能源汽車應(yīng)用最為廣泛的驅(qū)動電機之一。
永磁同步電機構(gòu)造示意圖
永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM)的工作原理是利用定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，推動轉(zhuǎn)子上的永磁體同步旋轉(zhuǎn)，由此將電能轉(zhuǎn)化為汽車的機械能。其分為表面永磁同步電機(SPMSM)和內(nèi)置永磁同步電機(IPMSM)兩種。SPMSM通常用于輕型電動汽車和混合動力汽車中；IPMSM則用于重型電動汽車、公交車和地鐵等需要高效率和大功率的場合。
電機性能優(yōu)化 低頻電磁仿真
作為新能源汽車的動力源，永磁同步電機的性能直接影響著汽車的續(xù)航里程及行駛狀況。通過低頻電磁仿真可以分析得出永磁同步電機的磁場分布、電磁力、轉(zhuǎn)矩、功率等性能指標(biāo)，從而優(yōu)化電機的設(shè)計方案，如調(diào)整電機的磁環(huán)設(shè)計、轉(zhuǎn)子和定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計、增加永磁體數(shù)量等，從而提升電機性能。
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