冷卻系統設計的案例
一個汽車冷卻系統的設計
在當今的汽車領域，許多系統和零部件在設計過程中都需要進行計算流體力學(CFD)分析來確保其最佳的性能、可靠性、成本和上市時間。這些系統和零部件有可能是結構件，也有可能是電子元件，或者兩者皆是。CFD分析是系統設計的三大方法之一。除此之外，系統設計中還有一種方法是制作物理樣機，測試物理樣機，之后對設計進行優化改進，并且需要重復這個過程，這種方法花費極為昂貴和并且十分費時。還有另外一種方法就是過度設計，這會帶來“安全”的解決方案，但可能成本效益較低，而且可能對想在窄帶寬中運行的系統的性能造成損失。在設計早期和整個設計過程中將“虛擬樣機”結合CFD分析，能以較低的成本（更少物理樣機）提供最優化的系統，并讓系統更快上市。
復雜汽車系統中非常有代表性的例子是發動機和潤滑油冷卻系統。說它復雜是因為它不僅包含冷卻液輸送管道系統，還包含能真正使發動機冷卻的發動機冷卻水套等零部件。讓我們來探討這一設計過程能如何進展以及CFD工具如何用于優化這一系統。
關鍵的工具選擇
假設我們為一家正在開發新汽車模型的汽車公司工作，但我們希望使用經過多年驗證的可靠發動機。我們必須設計一種新的冷卻系統，它將使用這種發動機，但要求發動機和車廂具備新的管道系統。我有兩種CFD分析工具，其中一種能用于分析管道系統，可視為一維（指流體在冷卻液管道中單向流動）分析。另一種三維工具能分析復雜流體流動和熱交換的零部件。所要設計的系統明顯是一維管道系統和三維復雜零部件的結合，我該用哪種CFD工具來分析這個系統呢？
仿真分析一維工具明顯比三維工具快得多，但在模擬復雜的水套時準確度不夠。但如果我們只使用三維CFD工具來分析整個系統，我們可以得到我們需要的準確結果，但仿真計算時間將會太長，從而不能實現利用數種設計方法進行虛擬實驗的目的。
展開 基于KULI設計的發動機冷卻系統
隨著汽車對要求發動機的功率也不斷提高，其體積和散熱量也相應增加，但是在汽車整車總布置中，在有限的發動
機艙的空間里，隨著許多附加熱交換器（例如中冷器、變速器機油冷卻器、發動機機油冷卻器、空調冷凝器和助力轉向機油冷卻器）的安裝，散熱條件越來越糟糕，留給散熱器的空間也越來越小。因此設計一個可靠和高效率的發動機冷
卻系統，用最小的散熱器將發動機增加的熱量散發到周圍空氣中去，在汽車整車開發過程中變得更加重要。Kuli 是一個不錯的設計和仿真軟件，本帖則將介紹如何利用Kuli設計發動機冷卻系統的過程和方法。
1 發動機冷卻系統的建模
以一貨車的冷卻系統的設計過程為例，介紹應用仿真計算方法在Kuli 軟件中比較和確定冷卻系統的設計參數。該貨車發動機的冷卻系統屬于強制循環水冷系統。
1.1 發動機冷卻系統的模型
根據貨車的結構形式，設計了格柵、散熱器、機械風扇、內部壓降（在Kuli 軟件中為內部阻力模塊，Built-in resistance）和出口壓降（在Kuli 軟件中為CP-Valve 模塊，Built-in resistance）仿真模型，這些模型主要包括三類信息：
（1）部件外形尺寸和位置參數；（2）流體模型，主要涉及到內部流動流體（冷卻液）和外部流動流體（空氣）的壓力損失特性；（3）部件的傳熱特性。以下主要以入口壓降、風扇和內部壓降模型為例介紹發動機冷卻系統的建模技術。
圖1 發動機冷卻系統的仿真模型
1.2 入口壓降模型
入口壓降模型在Kuli 軟件中用CP 閥模塊表示，它有相對方法、絕對方法和總壓力方法3種方式計算壓力差。其中用相對方法計算壓降的模型如下：
△p = cp× ρ/2 ×（v∞-vin）2 （1）
其中：cp———系數，取值0.9；ρ———空氣密度；v∞、vin———汽車格柵前、后空氣速度。
展開 Moldex3D模流分析之冷卻系統設計
冷卻系統設計影響熔膠固化過程及塑料產品翹曲變形，并且冷卻時間占總周期時間70%-80%。因此，一個良好的冷卻系統，可以大幅縮短塑件成型時間，幫助增加生產效率及成品質量。更進一步來說，良好冷卻系統提供了均勻冷卻環境，能夠讓幫助塑件均勻收縮，減少翹曲溫度，并能確保熔膠能夠順利充滿模穴之中。
冷卻系統圖解
透過冷卻系統機制，塑件熱量持續地被冷卻液及空氣帶走，直到塑件溫度低于頂出溫度，就能讓塑件頂出。頂出后的塑件仍持續會被空氣溫度影響，直到與空氣溫度相同。剛開始前幾個周期，模溫會受到熔膠影響，讓模具溫度變化會較為劇烈，直到周期數目夠多之后，模溫會近似穩態變化，單一周期內變化幅度不超過攝氏5度甚至更少，因此，可以把模溫以周期時間平均，視為穩態溫度。然而，在模溫變化較為劇烈的特殊制程，例如變模溫制程，單一周期內有很大溫度變化振福，此時就不能把模溫視為穩態溫度，而必須要以瞬時方式觀察每一個時間變化。
典型的模溫變化周期
此外，當塑件冷卻到頂出階段時，其溫度應低于材料熱變形的溫度 (deflection temperature)，如此才可以避免變形的發生，否則，有可能因為脫模時的外力而發生殘留應力的釋放，或翹曲變形等嚴重的問題。
在現實中，模溫呈現穩態周期性變化，冷卻分析模塊可以周期平均方式仿真穩態溫度，也可以瞬時方式模擬模溫每一個時間變化。
典型模溫變化周期
Moldex3D/Shell-Cool主要應用Fast Finite Element(FFEM)作為主要冷卻計算架構，以2.5D薄殼模型為基礎再配合2.5D Hele-Shaw流動模型作為填充結果，透過幾何轉換對應3D網格以進行3D冷卻分析，相對于傳統邊界元素法(Boundary Element Method, BEM)，FFEM具有節省內存、計算快速準確、容易收斂…等優點。
展開 冷卻水管路系統設計條件
泵是否需要冷卻水，哪些部位需要冷卻，冷卻水耗量多少，這和介質溫度、泵型等有關，以下給出一般的設計思路和基本考慮方法，具體應用時應以泵的實際工況參數和泵廠經驗確定。
冷卻水管路系統設計條件
泵是否需要冷卻水，哪些部位需要冷卻，冷卻水耗量多少，這和介質溫度、泵型等有關，以下給出一般的設計思路和基本考慮方法，具體應用時應以泵的實際工況參數和泵廠經驗確定。
一、冷卻水管路系統設計條件
API標準要求冷卻水管路系統的設計應符合以下要求：
賣方提供的冷卻水管路系統還應符合具體過程項目的冷卻水過程條件，我國某石化裝置的冷卻水公用工程條件如下(供參考)：
二、冷卻水管路系統布置
除另有規定外，冷卻水管路系統的總管和每一支管均應設置必要的進口閥和出口閥，且每一冷卻水出口管道上應設流量視鏡。冷卻水管路布置應符合表的規定，賣方在技術報價時應明確冷卻水管路系統的方案。
三、泵冷卻水管路方案的選擇
1.輸送介質溫度低于120℃的，通常不設置專門的冷卻系統，多采用本身介質來潤滑和冷卻，對于易結晶或含有顆粒的介質應配有密封面沖洗管路(設計時均留有接口)。
2.輸送介質溫度高于120℃時，應考慮是否需要對軸承箱進行冷卻，冷卻水管路系統采用表中的方案A和方案K。
展開 某PHEV汽車電機冷卻系統熱管理策略優化
盧山、盧桂萍等基于V字型開發模式，對某插電式混合動力汽車整車熱管理控制策略進行開發研究，經過算法設計、模型開發、單元測試、功能驗證和實車驗證整個開發過程，保證各零部件的工作溫度在合理范圍內，符合其控制軟件的功能需求.李峰對某插電式混合動力汽車設計了一套利用發動機熱量給電池預熱、電機熱量給發動機預熱的方案，研究了基于發動機水溫、電機水溫、電池SOC不同而采用不同預熱模式的控制策略，從而提高了整車的能源利用效率.
然而，對于熱管理系統內執行部件的能耗研究較少.電子水泵、電動壓縮機、電子風扇等這些驅動熱管理系統工作的重要部件，本身需要消耗一定的電池電量.對這些部件，設計合理的控制邏輯，在滿足系統合理工作水溫的前提下，降低其本身能耗也甚為重要.
1 插電式混合動力汽車熱管理系統設計
本文針對某插電式混合動力汽車設計了一套整車電機冷卻熱管理系統，來保證動力系統、電池系統、空調系統在各模式/工況下的安全可靠運行.
該款插電式混合動力汽車的整車熱管理系統原理如圖1所示，該系統共有4個冷卻回路.分別是發動機冷卻及空調采暖系統回路；動力電池升溫/降溫系統回路；空調制冷系統回路；電機冷卻系統回路.
圖1 熱管理系統原理圖
發動機冷卻及空調采暖系統回路與傳統燃油車相比，在暖風支路增加了一個電子水泵和單向閥、水加熱PTC、以及一個三通閥，保證車輛在純電動模式下的乘員艙采暖需求.同時，在暖風支路并聯了一個板式換熱器，與動力電池升溫/降溫系統回路進行耦合換熱，從而保證動力電池的升溫需求.
動力電池升溫/降溫系統回路，是一個包含了板式換熱器、Chiller（動力電池冷卻器）、動力電池水冷板、電子水泵的回路系統.通過板式換熱器與發動機冷卻及空調采暖系統回路耦合換熱，保證動力電池的升溫需求.通過Chiller與空調制冷系統回路耦合換熱，保證動力電池的降溫需求.
展開 設計仿真 | Cradle CFD助力WayRay公司進行全息AR導航冷卻系統開發
Cradle CFD分析使WayRay縮短了設計和原型制作的過程，使工程師能夠可視化和模擬以前無法進行物理測量和評估的設計變化。"- (Maksim Aleksandrov先生)。
Cradle CFD提供了一個概念設計和工程分析系統，使WayRay的專家能夠迅速進行參數化設計變化研究。通過改變晶體的散熱、材料特性、風扇速度、散熱器尺寸和其他參數，可以比較各種設計方案，排除試錯，這大大減少了準備和調試物理模型的時間和金錢。
此外，這些計算實驗允許進行設計敏感性分析，以了解哪些幾何參數或材料屬性對計算結果和設計目標有最大的影響。圖6顯示了WayRay公司為一家日本汽車制造商開發的全息導航系統的激光塊的熱設計計算結果。
圖6：Peltier元件的熱電參數
計算出的網格由2400萬個元素組成，在溫度變化較大的區域(激光二極管晶體所在的位置) 進行了微調。這種高分辨率網格對于更精確地近似結構元素及其之間的間隙是必要的。然而，盡管有大量的網格元素，在穩態條件下的計算時間只有2個小時(作為比較，使用非結構化網格的類似計算時間為18小時！)。同時，與實驗結果相比，計算誤差小于3%。
"CFD從來沒有如此精確和強大。由于scSTREAM的高性能，我們現在能夠快速創建超過1000萬個網格元素的詳細模型，并每天進行許多設計驗證和優化迭代，"- (Maksim Aleksandrov先生) 。
基于仿真結果，對冷卻系統的熱負荷和效率進行了評估。確定了風扇、Peltier元件和散熱器在溫度分布和氣流方面的最佳布置，消除了停滯區和局部熱區。
展開 Moldex3D模流分析之冷卻系統圖解
冷卻系統設計影響熔膠固化過程及塑料產品翹曲變形，并且冷卻時間占總周期時間70%-80%。因此，一個良好的冷卻系統，可以大幅縮短塑件成型時間，幫助增加生產效率及成品質量。更進一步來說，良好冷卻系統提供了均勻冷卻環境，能夠讓幫助塑件均勻收縮，減少翹曲溫度，并能確保熔膠能夠順利充滿模穴之中。
冷卻系統圖解
透過冷卻系統機制，塑件熱量持續地被冷卻液及空氣帶走，直到塑件溫度低于頂出溫度，就能讓塑件頂出。頂出后的塑件仍持續會被空氣溫度影響，直到與空氣溫度相同。剛開始前幾個周期，模溫會受到熔膠影響，讓模具溫度變化會較為劇烈，直到周期數目夠多之后，模溫會近似穩態變化，單一周期內變化幅度不超過攝氏5度甚至更少，因此，可以把模溫以周期時間平均，視為穩態溫度。然而，在模溫變化較為劇烈的特殊制程，例如變模溫制程，單一周期內有很大溫度變化振福，此時就不能把模溫視為穩態溫度，而必須要以瞬時方式觀察每一個時間變化。
典型的模溫變化周期
此外，當塑件冷卻到頂出階段時，其溫度應低于材料熱變形的溫度 (deflection temperature)，如此才可以避免變形的發生，否則，有可能因為脫模時的外力而發生殘留應力的釋放，或翹曲變形等嚴重的問題。
在現實中，模溫呈現穩態周期性變化，冷卻分析模塊可以周期平均方式仿真穩態溫度，也可以瞬時方式模擬模溫每一個時間變化。
典型模溫變化周期
Moldex3D/Shell-Cool主要應用Fast Finite Element(FFEM)作為主要冷卻計算架構，以2.5D薄殼模型為基礎再配合2.5D Hele-Shaw流動模型作為填充結果，透過幾何轉換對應3D網格以進行3D冷卻分析，相對于傳統邊界元素法(Boundary Element Method, BEM)，FFEM具有節省內存、計算快速準確、容易收斂…等優點。
展開 技術分享 | 如何獲得更好的火車供暖、通風和冷卻(HVAC)系統設計？（一）
設計人員希望設計出能提供舒適環境的鐵路客車，在過去，西門子工程師大約耗費四個月時間在氣候風洞中測試鐵路客車，以驗證供暖、通風和冷卻(HVAC)系統的設計。現在，他們可在建造第一節車廂之前利用計算流體動力學(CFD)軟件對設計進行驗證，從而將測試時間與成本減少高達50%。
“西門子工程師的設計一次性成功，有望將風洞測試的工作量減少50%，相當于縮短兩個月的時間。”
過去，為設計出滿足這一標準的最新客車車廂的HVAC系統，我們需要在氣候風洞中花費四個月的時間對HVAC系統設計進行測試和修改，僅租賃費每天就要花費數千歐元。此外，由于列車交付期限緊迫，仿真時間十分受限。
在過去幾年里，西門子工程師成功利用 Ansys Fluent CFD 軟件對完整的鐵路客車進行了準確的仿真，得到的詳細結果與物理測量結果極為吻合。而獲得仿真結果所用的時間僅為測試所用時間的幾分之一。與以往相比，工程師能夠評估更多的設計迭代，并且總會得到出色的HVAC性能。
雖然鐵路客車仍須進行測試，以驗證是否符合該標準的要求，但是最新產品的測試時間已經縮短了50%，既節省了大筆的風洞租賃費用，又額外節約了相當可觀的人員和設備成本。
供暖、通風和冷卻(HVAC)系統設計挑戰
歐洲標準在城際鐵路客車的氣候控制方面規定了廣泛而且頗具挑戰性的要求。內部平均溫度只能在設定溫度的+/-1攝氏度之間變化。
展開 電驅動系統冷卻設計
電驅動系統冷卻設計
電驅動系統冷卻設計
電驅動系統冷卻設計
注塑裝置冷卻系統設計
（一） 冷卻裝置設計分析
1 冷卻裝置設計的基本考慮
（1） 盡量保證塑件收縮均勻﹐維持模具熱平蘅
（2） 冷卻水孔的數量越多﹐孔徑越大﹐對塑件冷卻越均勻。
（3） 水孔與型腔表面各處應有相同的距離
（4） 澆口處應加強冷卻
（5） 降低入水與出水的溫差
（6） 要結合塑料的特性和塑件的結構﹐合理考慮冷卻信道的排列形式
（7） 冷卻水信道要避免接近塑件的熔接痕部位﹐以免熔接不牢﹐影響強度
（8） 保證冷卻信道不泄漏﹐
（9） 防止與其它部位發生干涉
（10） 冷卻信道的進出口要低于模具的外表平面
（11） 冷卻水信道要利于加工和清理
展開 干貨丨電驅動系統冷卻設計
干貨丨電驅動系統冷卻設計
Moldflow冷卻分析之關鍵技術-新科益
Moldflow冷卻分析之關鍵技術
一、概述
注塑模冷卻系統設計的好壞是模具設計成功與否的一個關鍵因素，它直接影響塑料制品的質量和生產效率。在注塑成型過程中，塑料制品在型腔中的冷卻時間要占整個成型周期的70%~80%，而且冷卻的速度和均勻性直接影響制品的性能。如果冷卻系統設計不合理的話，會造成生產周期過長，成本過高，另一方面，不均勻的冷卻效果也會造成產品因熱應力而產生翹曲變形，從而影響產品品質。
二、冷卻分析技術的作用
衡量模具冷卻系統設計好壞的標準有兩個：一是是制品冷卻時間最短；二是使制品的各個部位均勻冷卻。影響冷卻系統的因素很多，除了塑料制品的幾何形狀、冷卻介質、流量、溫度、冷卻水路的布置、模具材料、塑料熔體溫度、模具溫度、塑料頂出溫度外，還涉及到塑料與模具之間的非穩態熱循環交互作用。用實驗的方法來測試不同的冷卻系統對冷卻時間和制品質量的影響是相當困難的，也是不現實的。傳統的冷卻系統設計多以經驗為主，往往無法將冷卻系統優化，以進行均勻而有效的冷卻，結果造成成型周期過長，并可能是產品冷卻不均而導致翹曲變形。計算機分析與模擬則是完成這種預測的最佳方法。Moldflow可以對冷卻系統作優化設計，通過分析冷卻系統對流動過程的影響，優化冷卻管道的布局和邊界條件，從而產生均勻的冷卻，并由此縮短成型周期，減少產品成型后的內應力，提高產品質量，降低成本。
詳細文章內容請訪問新科益網站：http://www.cadit.com.cn/tradenews1.asp?id=253
展開 干貨丨電驅動系統冷卻設計
-----------------------------------------------------------------
【免責聲明】版權歸原作者所有，僅用于技術分享與交流，非商業用途！對文中觀點判斷均保持中立，若您認為文中來源標注與事實不符，若有涉及版權等請告知，將及時修訂刪除，謝謝大家的關注！
