汽車機(jī)艙流場分析的案例
電動汽車機(jī)艙散熱問題CFD仿真分析優(yōu)化及試驗驗證
摘 要：某電動汽車樣車在空調(diào)降溫試驗中，駕駛員和副駕駛的頭部平均溫度沒有達(dá)到降溫預(yù)定值，制冷能力不足。為提高空調(diào)制冷能力，本文采用CFD仿真分析的方法，研究了前機(jī)艙的流場，分析了格柵和空調(diào)冷凝器的通風(fēng)量。通過配置冷凝器導(dǎo)流罩和調(diào)整格柵開口，增加了格柵新風(fēng)的進(jìn)氣量，減少了高溫氣體的回流冷凝器，從而增加了冷凝器的散熱能力。在最終的試驗中，頭部平均溫度整改后比整改前降低了5℃，降溫效果明顯改善，達(dá)到并超過了預(yù)定值。這種通過機(jī)艙流場優(yōu)化提高散熱能力的方法和工程經(jīng)驗，對其它電動汽車機(jī)艙散熱能力的開發(fā)具有借鑒意義。
電動汽車近年來快速興起，并且有逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油車的趨勢。研究電動汽車機(jī)艙的散熱特點具有重要意義。由于電動汽車沒有內(nèi)燃機(jī)，它的機(jī)艙內(nèi)就沒有了溫度達(dá)到600℃而帶來強(qiáng)輻射的排氣管路，也沒有需要大量散熱的內(nèi)燃機(jī)水套。電動汽車前機(jī)艙相對于燃油車僅需較小的前格柵開口來引進(jìn)新風(fēng)進(jìn)行散熱。現(xiàn)階段電動汽車用來冷卻電機(jī)水套與電池的散熱器和風(fēng)扇大多是沿用燃油車的，往往散熱能力有相當(dāng)盈余。電動汽車機(jī)艙內(nèi)的空調(diào)冷凝器的散熱問題變得凸顯出來。
目前分析電動汽車機(jī)艙散熱問題有兩種方式：環(huán)境艙試驗和CFD仿真。環(huán)境艙試驗包括整車熱平衡試驗和整車降溫試驗。由于現(xiàn)階段機(jī)艙內(nèi)散熱器能力的盈余，電動汽車熱平衡試驗發(fā)現(xiàn)的問題往往是電機(jī)、IGBT和電池的零部件內(nèi)局部過熱。機(jī)艙內(nèi)冷凝器是否有足夠的散熱能力就會在電動汽車降溫試驗中體現(xiàn)出來。試驗方法的優(yōu)點是可信度高，能夠為研發(fā)提供直接的整改依據(jù)；缺點是成本高、周期長，不能夠在設(shè)計初期及時發(fā)現(xiàn)問題。CFD仿真的優(yōu)點是成本低、周期短，能夠在研發(fā)早期發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵問題，縮短整車開發(fā)周期。然而要想完全模擬電動汽車降溫試驗，需要三維機(jī)艙熱流場、整車一維能量流、空調(diào)箱和乘客艙的三維熱流場共同的瞬態(tài)耦合計算，目前國內(nèi)幾乎難以完整開展。
展開 汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理三維仿真分析與優(yōu)化
[摘要] 利用CFD（Computational Fluid Dynamics）數(shù)值模擬方法對某車型汽車發(fā)動機(jī)艙流場進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)該車發(fā)動機(jī)艙冷卻模塊和進(jìn)氣格柵組成的“前艙”回流現(xiàn)象明顯，熱源局部高溫。針對以上問題，提出了布置密封導(dǎo)流通道、冷卻模塊傾斜5°、冷卻風(fēng)扇中置及采用雙冷卻風(fēng)扇4 種優(yōu)化方案，經(jīng)過比較分析發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)氣格柵與冷卻模塊之間增加密封導(dǎo)流通道，空氣流量提高明顯，經(jīng)過散熱器的空氣流量平均提高了10%以上，經(jīng)過中冷器的空氣流量平均提高了50%以上，有效改善了原車發(fā)動機(jī)艙的散熱性能。
引言
目前，人們對汽車各方面性能要求越來越高，各種新興技術(shù)如渦輪增壓、缸內(nèi)分層燃燒、可變氣門升程、可變進(jìn)氣歧管技術(shù)等相繼應(yīng)用于汽車上，增加了汽車發(fā)動機(jī)艙的負(fù)擔(dān)；再加上現(xiàn)代汽車逐步傾向低車身、小車型等流線型設(shè)計，發(fā)動機(jī)艙零部件眾多、空間狹小、散熱困難。散熱狀況惡化，將嚴(yán)重影響汽車發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，因此，如何讓冷卻空氣在經(jīng)過發(fā)動機(jī)艙時充分、有組織、高效地將熱量帶出，是發(fā)動機(jī)艙熱管理的主要工作。然而，發(fā)動機(jī)艙物理現(xiàn)象復(fù)雜、幾何形狀復(fù)雜、性能參數(shù)眾多，對其散熱特性進(jìn)行評估具有一定難度。
傳統(tǒng)開發(fā)過程中，通常先采用經(jīng)驗或工程估算的方法評估散熱性能，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計。產(chǎn)品定型后，進(jìn)行相關(guān)散熱特性測試，根據(jù)測試結(jié)果，反復(fù)修改設(shè)計方案直到達(dá)到設(shè)計要求[2]，不僅增加了產(chǎn)品設(shè)計周期，而且浪費了大量的人力物力。
隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展，運用CFD 仿真和實驗相結(jié)合的方式處理發(fā)動機(jī)艙熱管理問題，成本低、周期短，越來越受到各大汽車廠商的青睞。在發(fā)動機(jī)艙熱管理問題的分析和優(yōu)化預(yù)測過程中，應(yīng)用三維仿真軟件能夠達(dá)到流場的具象化和避免優(yōu)化方案的多次試驗浪費[3]。
展開 旋轉(zhuǎn)機(jī)械 流場分析｜基于STARCCM+的多翼離心風(fēng)機(jī)流場分析
04
流場分析
下面對設(shè)計工況下的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行分析。截取葉輪中間位置的 XY 截面與XZ 截面，網(wǎng)格如圖8所示。在XZ截面上建立速度矢量Vxz的流線分布，如圖10所示。從圖中可見流量大部分靠近蝸殼出口側(cè)流動，并且在蝸殼中形成了非常明顯的上下兩個二次渦流，這是蝸殼中主要損失之一。其主要的成因是軸向上流動分布不均，造成上下壓力不平衡而形成的二次流動。在XZ截面上建立徑向速度的矢量分布圖，如圖11所示。徑向速度間接代表了葉輪進(jìn)出口的流量分布。從圖中可以更加明顯的看到流量在軸向上分布非常不均勻，其主要原因是空氣從外界進(jìn)入葉輪前由于多翼離心風(fēng)機(jī)軸面流道的特點，無法使軸向進(jìn)氣能很好的均勻的導(dǎo)出徑向出氣，所以無法避免的造成了軸向速度分布不均勻。從優(yōu)化的角度需要對軸面流道和進(jìn)氣裝置的導(dǎo)流特性進(jìn)行優(yōu)化。
圖8 XZ、XY截面示意圖
圖9 XY截面葉輪示意圖
在XY截面上，建立面上葉輪內(nèi)部Vxy矢量的相對速度流線分布圖，如圖12所示。圖中可見葉輪間都或多或少的存在葉間渦，其中約有 2/5 的流道中渦占據(jù)一半位置以上，在流量集中區(qū)域渦相對較小，但仍然存在。因此葉間渦的作用對多翼離心風(fēng)機(jī)中的影響不可忽視。
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前言
第1章 FLOTRAN流體分析概述
1.1 FLOTRANCFD分析的概念
1.2 FLOTRAN分析類型
1.2.1 層流分析
1.2.2 湍流分析
1.2.3 熱分析
1.2.4 可壓縮流動分析
1.2.5 非牛頓流動分析
1.2.6 多組份傳輸分析
1.2.7 自由表面分析
第2章 FLOTRAN分析的基本原理
2.1 FLOTRAN單元的特點
2.1.1 FLUIDl41單元
2.1.2 FLUIDl42單元
2.2 FLOTRAN單元的局限性
2.3 FLOTRAN分析步驟
2.3.1 確定問題的區(qū)域
2.3.2 確定流體的狀態(tài)
2.3.3 生成有限元網(wǎng)格
2.3.4 施加邊界條件
2.3.5 設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)
2.3.6 求解
2.3.7 檢查結(jié)果
2.4 FLOTRAN單元相關(guān)文件
2.4.1 結(jié)果文件
2.4.2 打印文件
2.4.3 殘差文件
2.4.4 重啟動文件
2.4.5 FLOTRAN重啟動分析（續(xù)算）
2.5 提高收斂性和穩(wěn)定性的常用的工具
2.5.1 松弛系數(shù)
2.5.2 慣性松弛
2.5.3 修正的慣性松弛
2.5.4 人工粘性
2.5.5 速度限制
2.5.6 面積積分階次
2.6 評價FLOTRAN分析
2.7 驗證結(jié)果
第3章 FLOTRAN流體的基本屬性
3.1
展開 
汽車流場數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計
圖15 優(yōu)化后的汽車對稱面速度矢量圖
Fig.15 car symmetry plane velocity vector diagram after optimized
圖16所示為改進(jìn)后的汽車對稱面壓力云圖，將其與圖8進(jìn)行對比分析，從兩個壓力云圖的分析比較中我們可以很明顯地看到在安裝擾流板的汽車模型尾部上方產(chǎn)生了一個正壓力區(qū)，而下方產(chǎn)生的是負(fù)壓力區(qū)，從而降低了汽車尾部的升力，提高了汽車行駛過程中的安全性和操縱性。
圖16 優(yōu)化后的汽車對稱面壓力云圖
Fig.16 optimized car symmetry plane stress nephogram
我們還可以通過對是否安裝擾流板的汽車模型尾部阻力和升力的比較來分析他們尾部流場的變化情況，從而得出結(jié)論。表4所示為在V=100Km/h條件下階背式有無擾流板的汽車模型尾部阻力和升力：
表4 兩種車型尾部升力和阻力對比
沒有擾流板
有擾流板
尾部阻力
151.2053
181.3496
尾部升力
78.6838
-30.797
從上表中，不難發(fā)現(xiàn)安裝擾流板和導(dǎo)流板的汽車模型的尾部上方阻力明顯增大，升力同時也減小了，這大大增加了汽車行駛時的安全性以及汽車的易操控性。
5 結(jié) 論
本文利用UG建立階背式轎車物理模型，采用CFD技術(shù)對其進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，得到其氣動力分析結(jié)果以及轎車壓力分布和尾部速度分布結(jié)果。為了提升轎車的流場性能，采取了安裝擾流板和導(dǎo)流板對汽車流場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并再次對其進(jìn)行有限元分析。通過對比優(yōu)化前后的有限元仿真分析結(jié)果，可以得出，安裝擾流板和導(dǎo)流板的汽車模型的尾部上方阻力明顯增大，升力同時也減小了，大大增加了汽車行駛時的安全性以及汽車的易操控性。
展開 CFX仿真實例 – 汽車外部流場
案例描述：
一個簡化了汽車幾何體，風(fēng)從車的尾部吹向，速度15 m/s。
? 采用一半的幾何仿真；
? 滑移邊界模擬外流；
? SST湍流模型模擬汽車表面流場；
? 忽略空氣的微弱壓縮。
1、新建并導(dǎo)入網(wǎng)格
1.1 新建一個CFX仿真項目，命名為“BluntBody”。
1.2 導(dǎo)入網(wǎng)格，右鍵軟件左側(cè)的Outline下面的Mesh > Import Mesh > CFX Mesh，選擇導(dǎo)入“BluntBodyMesh.gtm”，文末有下載。
2、計算域設(shè)置
SST湍流模型高精度預(yù)測流動的分離，但是要求邊界層最低10個網(wǎng)格節(jié)點，本文為了節(jié)省計算時間，本文提供的網(wǎng)格是比較粗糙的。
軟件菜單欄Insert > Domain，命名為“BluntBody”。
3、邊界設(shè)置
3.1 相同條件的邊界進(jìn)行合并，此與本文的網(wǎng)格邊界命名有關(guān)，其實在邊界命名時候選擇相同邊界條件的邊界合并命名即可。
軟件頂部菜單欄Insert > Regions > Composite Region，命名為“FreeWalls”。
3.2 進(jìn)口邊界，軟件頂部菜單欄Insert > Boundary，命名為“Inlet”
3.3 出口邊界，軟件頂部菜單欄Insert > Boundary，命名為“Outlet”
3.4 滑移邊界，計算域的頂面和側(cè)面設(shè)置為滑移邊界。在滑移邊界處，剪應(yīng)力為0，流體不會減速；速度垂直滑移邊界為0；速度平行滑移邊界通過計算得到。
軟件頂部菜單欄Insert > Boundary，命名為“FreeWalls”。
3.5 對稱邊界，軟件頂部菜單欄Insert > Boundary，命名為“SymP”。
展開 轉(zhuǎn)載，你知道汽車座艙內(nèi)流場嗎？
實現(xiàn)這樣的功能需求，汽車空調(diào)就不可或缺。隨著汽車技術(shù)的進(jìn)步，汽車空調(diào)逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)配置。在汽車開發(fā)中，空調(diào)的性能就至關(guān)重要。
汽車空調(diào)相對于普通家用空調(diào)要復(fù)雜很多，這主要是因為車內(nèi)部的空間小，密封性、保溫性較差，夏季不可避免地受強(qiáng)陽光的輻射熱和外圍熱浪的烘烤，而發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷隨著車輛狀態(tài)不斷變化；冬季又常受外界高速流動的冷空氣以及冰雪的侵襲，有時甚至長時間的停在低溫室外中，加上人員上下車時的氣溫，發(fā)動機(jī)負(fù)荷變化引起的水溫波動等，都對空調(diào)系統(tǒng)的正常運行和車內(nèi)舒適性產(chǎn)生影響。
空調(diào)系統(tǒng)在一般的整車研發(fā)項目當(dāng)中，貫穿于始終。從最初的整車使用范圍定義，項目開發(fā)需求，熱負(fù)荷計算，性能開發(fā)框架，綜合考慮性能，成本，開發(fā)周期等等因素。一般首先會先根據(jù)空調(diào)熱負(fù)荷需求，和空調(diào)零部件性能參數(shù)，進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)匹配分析。而后會進(jìn)行車內(nèi)流場和溫度性能CAE分析，包括采暖和降溫性能CAE評估，建立自身的評價標(biāo)準(zhǔn)，及時開展性能預(yù)判，風(fēng)險預(yù)警，性能優(yōu)化等工作。
采暖模式（主要是吹腳模式）
空調(diào)模式下，會分析車內(nèi)流場情況。主要包括氣流從空調(diào)風(fēng)口流出后在座艙內(nèi)的整體流動情況，也包括在車內(nèi)狹小的環(huán)境內(nèi)，如遇到座椅，乘員時如何流動，在某個切面內(nèi)如何流動，最終目標(biāo)是考察車內(nèi)流動情況，達(dá)到快速采暖/降溫的效果，提升乘員舒適性。當(dāng)然最終的性能須經(jīng)過試驗驗證，試驗一般在環(huán)境倉中進(jìn)行。測試各模式下，空調(diào)風(fēng)量，車室內(nèi)測點溫度等。
經(jīng)過CAE分析和最終的試驗驗證，汽車的采暖/降溫指標(biāo)都須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)（空調(diào)性能是強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)），當(dāng)然不同的汽車采暖降溫性能還是會有很大差別，如有些車型會出現(xiàn)如有不同空間位置的乘員冷熱不均，或是降溫/采暖速度不滿足需求，氣流速度或溫度讓你感覺不適等，都是考驗空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)能力的重要指標(biāo)。
展開 酒店套房室內(nèi)空調(diào)流場溫度場分析
針對之前的一個咨詢課題，總結(jié)了一下，簡單介紹了室內(nèi)空調(diào)流場分析和熱場分析的基本方法，根據(jù)CAD圖紙來建立室內(nèi)的三維圖，其中考慮了室內(nèi)墻的厚度，和室外玻璃，不同墻等材料，室內(nèi)燈泡，電器，床，等家具家電折算為體熱源平攤到室內(nèi)中，考慮太陽光的輻射作用，主要從玻璃墻處進(jìn)入室內(nèi)，設(shè)置為面熱源進(jìn)入計算域，模型的CAD圖紙如下所示：
根據(jù)該CAD建立幾何3維幾何模型如下所示：
其中天花板進(jìn)行了隱藏處理，建立中央空調(diào)入風(fēng)口和出風(fēng)口，玻璃窗戶，外墻，內(nèi)墻等，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如下所示：
室內(nèi)房間主要有空氣對流傳熱，墻的導(dǎo)熱，和玻璃窗戶的輻射，通過數(shù)值分析，設(shè)置檢測點和觀測平面內(nèi)空氣的流場分布來優(yōu)化空調(diào)入風(fēng)口和出風(fēng)口的位置，為中央空調(diào)的布置提供部分依據(jù)，外墻，內(nèi)墻，玻璃等材料的物性參數(shù)由測量所得，通過計算可以得到以下結(jié)果。
?
展開 汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道流場三維數(shù)值解析與優(yōu)化
汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道流場三維數(shù)值解析與優(yōu)化
王志 帥石金 王建昕 黃榮華 王必 盧蓓
摘要:為了改進(jìn)EQ48BTAA增壓空空中冷柴油機(jī)性能,對發(fā)動機(jī)的高渦流進(jìn)氣道內(nèi)流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,得到了不同氣門升程下詳細(xì)的流場結(jié)構(gòu).氣道性能評價參數(shù)(流量系數(shù)和氣流轉(zhuǎn)矩)的計算結(jié)果與穩(wěn)流試驗臺的試驗結(jié)果吻合較好.通過流場分析,找到了氣道不合理的部位,并應(yīng)用CAD/CAM/CFD集成的方法對氣道進(jìn)行了優(yōu)化.優(yōu)化后氣道流量提高了14%,渦流比降低了12%,改進(jìn)的氣道豫發(fā)動機(jī)匹配后,該柴油機(jī)的排放已達(dá)歐II標(biāo)準(zhǔn).
關(guān)鍵詞:汽車發(fā)動機(jī) 氣道 三維數(shù)值模擬 優(yōu)化
汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道流場三維數(shù)值解析與優(yōu)化.pdf
展開 基于Hypermesh前處理與Fluent、Optistruct求解器的流固耦合分析（一）流場計算
?
一、概述
隨著計算科學(xué)以及數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，流固耦合或交互作用 （fluid structure coupling 或 fluid structure interaction）研究從 20 世紀(jì) 80 年代以來，受到了世界學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛 關(guān)注。流固耦合問題是流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）與固體力學(xué) （Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而生成的一門力學(xué)分支，同時也是多學(xué)科或多物理場研究的一個重要分支，它是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響這二者相互作用的一門科學(xué)。了解流固耦合對于許多產(chǎn)品的設(shè)計至關(guān)重要。如果不考慮流體與固體之間的相互影響，則會導(dǎo)致產(chǎn)品性能被過高或過低估計。
流固耦合一般分為單向耦合與雙向耦合。如果結(jié)構(gòu)變形非常小，并且可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)的變形幾乎不會對流場的各項參數(shù)產(chǎn)生影響，或產(chǎn)品本身不允許在流體的作用下發(fā)生較大的變形，這種情況下只需要先求解出流體與固體界面上的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，并將壓強(qiáng)數(shù)據(jù)傳導(dǎo)到固體的表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計算。然而，如果結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形，流體的速度和壓力場就會因此發(fā)生改變，此時我們需要將其作為雙向耦合問題進(jìn)行多物理場分析：流體流動和壓力場會影響結(jié)構(gòu)變形，而結(jié)構(gòu)變形又反過來影響流體的流動和壓力。實際工況中選擇進(jìn)行單向耦合分析還是雙向耦合分析需要根據(jù)實際產(chǎn)品及作用工況進(jìn)行判斷。
本文將執(zhí)行一個單向流固耦合分析流程，先在Hypermesh前處理器進(jìn)行流體域的建立和CFD網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入至Fluent求解器進(jìn)行流場計算，得到流體與固體界面的壓強(qiáng)信息，隨后將Fluent中計算得到的壓力信息映射至結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，并使用Optistruct求解器進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。
展開 OpenFOAM計算汽車流場，包含算例全部OpenFOAM計算文件 ￥15
OpenFOAM計算汽車流場，包含算例全部OpenFOAM計算文件
PAW焊接熔池_小孔流場與熱場動態(tài)行為的數(shù)值分析
PAW焊接熔池_小孔流場與熱場動態(tài)行為的數(shù)值分析.1.rar
PAW焊接熔池_小孔流場與熱場動態(tài)行為的數(shù)值分析2.rar
流場分析：基于STAR CCM+軸流風(fēng)葉仿真分析
圖6 仿真風(fēng)量對比圖
06
流場分析
湍動能的大小反應(yīng)了壓力的脈動程度，湍動能越大說明壓力脈動越大。
消聲器流場分析
問題描述：xiaoyinqi流場分析
問題類型：流體分析
分析人：技術(shù)鄰 異色天空
簡述：
噪聲是衡量壓縮機(jī)品質(zhì)的主要指標(biāo)之一。在壓縮機(jī)噪聲的構(gòu)成中，因氣流壓力脈動造成的空氣動力噪聲所占比例最高。這種噪聲主要產(chǎn)生在進(jìn)排氣端，且相比之下進(jìn)氣噪聲較強(qiáng)。
綜合以上信息，通常采用吸氣xiaoyinqi來控制氣缸腔內(nèi)因制冷劑壓力脈動產(chǎn)生的輻射噪聲。另外，結(jié)合軟件分析xiaoyinqi的流場和聲場，采集數(shù)據(jù)對其進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，成為降低壓縮機(jī)噪聲的有效途徑。
模型：
壓力場分布：
速度場分布：
小結(jié)：
壓力損失是描述xiaoyinqi綜合性能的一個重要指標(biāo)。在滿足降噪要求的同時，進(jìn)出口端的壓力損失越小越好。由Fluent軟件計算可看出，隨著壓縮機(jī)排量的增加，入口速度的提高，該xiaoyinqi進(jìn)出口端的壓力損失由212.69Pa增加到1573.43Pa，xiaoyinqi的效率降低。
氣體從進(jìn)口管出口處以射流的形式進(jìn)入，所以xiaoyinqi的一側(cè)面的所受壓力偏大。在消音腔內(nèi)，氣流會與腔內(nèi)流速較低的氣體混合，形成小范圍的旋渦，造成能量耗散和損失。隨后，氣體經(jīng)過消音腔的緩沖進(jìn)入排氣管，排出xiaoyinqi。總的來看，吸氣xiaoyinqi內(nèi)部的速度場比較均勻，對氣體在消聲器內(nèi)的流動影響不大。
展開 發(fā)動機(jī)SCR流場分析
發(fā)動機(jī)SCR流動分析.pdf
