车辆热舒适性(xing)挑战(zhan)

由于气(qi)候变化(hua)以及由此产生(sheng)的(de)节能(neng)目标，评估各种车(che)(che)辆的(de)热(re)舒适性(xing)的(de)需求不断增加。特别(bie)是(shi)评估城市公交车(che)(che)的(de)热(re)舒适性(xing)。车(che)(che)辆的(de)电气(qi)化(hua)也推动了节能(neng)的(de)需求。在这些(xie)车(che)(che)辆中，加热(re)不再是(shi)“免(mian)费”的(de)，就(jiu)像内燃动力车(che)(che)辆一(yi)样(yang)，从(cong)电池中冷却(que)能(neng)量，从(cong)而影(ying)响(xiang)车(che)(che)辆续航里程。

因此，在(zai)运输行(xing)(xing)业，OEM和供应(ying)商(shang)面临着在(zai)设(she)(she)计周期(qi)(qi)的(de)(de)早期(qi)(qi)处理热舒适性(xing)的(de)(de)挑战(zhan)，以快(kuai)速(su)做出(chu)最佳决策，从而避免(mian)低效的(de)(de)后期(qi)(qi)迭代。在(zai)早期(qi)(qi)设(she)(she)计中引入热舒适性(xing)评估应(ying)该能够(gou)快(kuai)速(su)、轻松地给(ji)出(chu)正确的(de)(de)趋势，而不是因为所有(you)系统(tong)组件都(dou)没有(you)最终(zhong)确定而涉及(ji)太(tai)多细节。应(ying)针(zhen)对各种配(pei)置和现实(shi)条件，即瞬(shun)态场景，对其进行(xing)(xing)逻辑评估。

为了应对这(zhei)一(yi)挑战，我们经(jing)常使(shi)用(yong)系(xi)统模(mo)拟(ni)，但是(shi)由于气流的(de)3D性质，使(shi)得模(mo)拟(ni)无法提供足够的(de)保真度。而(er)使(shi)用(yong)全(quan)三(san)维CFD方(fang)法进行计算的(de)经(jing)典替代方(fang)案也不是(shi)最佳的(de)，因(yin)为CAD需要完全(quan)可用(yong)，并且(qie)可以处理的(de)配置数量也是(shi)有限(xian)。

Simcenter Amesim嵌入式(shi)CFD 概(gai)述

考虑到上述挑战，Simcenter Amesim的(de)(de)(de)嵌入式CFD方(fang)法(fa)实际上是将系统模拟(ni)方(fang)法(fa)与(yu)Simcenter STAR-CCM+3D CFD方(fang)法(fa)相结(jie)合的(de)(de)(de)一个很好的(de)(de)(de)折衷方(fang)案。该工具(ju)被描述为1D和3D CFD模拟(ni)环境之间的(de)(de)(de)混合工具(ju)，受(shou)益于这两(liang)种技术。它提供(gong)了(le)3D分辨率的(de)(de)(de)保(bao)真度以及接近1D的(de)(de)(de)模拟(ni)时间。

Simcenter Amesim嵌入式CFD为座舱舒(shu)适性提(ti)供了更(geng)多可(ke)能性。它可(ke)以(yi)处理任何类型(xing)的(de)机舱，从2座汽车到整个商用(yong)飞机。可(ke)以(yi)定义自己的(de)几何图形、空气区域(yu)的(de)数量、通风口(kou)的(de)位置、材料(liao)的(de)类型(xing)等等。

城市公交车舱(cang)室温度预测 

（考虑(lv)车(che)门打开和(he)关闭）

这里(li)将通过多(duo)区(qu)域(yu)建模方法评估城市公交车热舒适性的具体场景来说(shuo)明Simcenter Amesim嵌(qian)入(ru)式(shi)CFD的使用。我们在(zai)第一阶段模拟整个(ge)巴士(shi)冷却，然(ran)后是连续两(liang)次巴士(shi)停(ting)靠(kao)，在(zai)此期间，前门(men)和中门(men)都(dou)打开。

Simcenter Amesim模(mo)型

下(xia)图显示了(le)包含座舱组件的HEAT库。默认(ren)情(qing)况下(xia)，该部件有3个(ge)外部端口(kou)，用于在左侧连接(jie)空气质量(liang)(liang)流量(liang)(liang)、温度、压(ya)力和湿(shi)度方面(mian)的通风(feng)口(kou)边界条件，在右侧连接(jie)车辆(liang)速度和环境空气温度。

Simcenter Amesim客舱热模型，带连接通风口

构建三维(wei)几何体

为了从上(shang)述(shu)Simcenter Amesim模型(xing)构建3D几何结构，从客舱(cang)组件启动(dong)Simcenter Amesim嵌入式CFD应(ying)用程序。逐步(bu)的GUI可以引导完成1D-3D耦合模拟(ni)。

Simcenter Amesim嵌入式CFD几何步骤

三维几何体(ti)是用XYZ坐标和(he)基本块（如长方体(ti)、圆柱体(ti)、三维多边形等）的尺(chi)寸构(gou)建的。其单元可以有三种类(lei)型：

• 流体：创建(jian)感兴(xing)趣的流体环境

• 实体：创建将作为与空(kong)气交换热量的实体处(chu)理的对象(xiang)

• 障(zhang)碍物：从(cong)流体域(yu)中清除的(de)材料

可以使用切割平面将全(quan)局体(ti)积划分为感兴趣的空(kong)气(qi)区(qu)域。对于巴士模型，总共定义了(le)16个空(kong)气(qi)区(qu)域，如(ru)下所(suo)示。

巴士车厢分为16个空气区

为了帮助构建几何体，可(ke)以关联一个动态三维查(cha)看(kan)器。几何图(tu)形完成(cheng)后，可(ke)以触发(fa)Simcenter STAR-CCM+模型。

定(ding)义(yi)边界条件并对三维模型进行(xing)网格(ge)划(hua)分(fen)    

在第二步(bu)中，可以(yi)执(zhi)行(xing)以(yi)下几(ji)个操作：

• 重命名几何图形中的(de)图元（体积和面）

• 将边界(jie)条件(jian)关联到面

• Simcenter Amesim和Simcenter STAR-CCM+之间要交(jiao)换的关联变量，只需使用拖放即可

• 定义平均网格大小并(bing)允许处理(li)重力

  
  

  Simcenter Amesim嵌入式CFD步骤

模拟瞬态场景

在(zai)运行(xing)模(mo)型(xing)之(zhi)前，在(zai)“3D模(mo)型(xing)到1D草(cao)图(tu)”步骤(zhou)中自动(dong)生成机舱(cang)的1D结构。在(zai)该步骤(zhou)开始时，可能需要重新定(ding)义连接到舱(cang)室(shi)的MUX元件的尺(chi)寸。完成之(zhi)后，就可以(yi)(yi)定(ding)义并启动(dong)运行(xing)，然(ran)后可以(yi)(yi)访问后处(chu)理的3D结果，如下(xia)图(tu)所示。

Simcenter Amesim嵌入式CFD 3D运行步骤结果

当然，也可以在Simcenter Amesim中查看瞬态(tai)结果(guo)；下图显(xian)示(shi)了冷却期间16个(ge)空气区温(wen)度的演(yan)变。 

Simcenter Amesim嵌入式CFD瞬态冷却温度结果

我们清楚地(di)看(kan)到了600秒后公交(jiao)车两次(ci)停车开(kai)门(men)，每次(ci)开(kai)门(men)约30秒过程的(de)温度(du)变化影响。

现在让我们详细了解：

• 如何将(jiang)Simcenter Amesim和Simcenter STAR-CCM结合起来(lai)+

• 如(ru)何模拟开门

1D/3D耦(ou)合过程细节(jie)    

作为前(qian)面显示的(de)(de)嵌入(ru)式CFD工(gong)作流程的(de)(de)一(yi)部分，可(ke)以(yi)自动生成Simcenter Amesim和Simcenter STAR-CCM+之间的(de)(de)信息交换，如(ru)下所(suo)示。可(ke)以(yi)添加具(ju)有导(dao)入(ru)/导(dao)出功能(neng)的(de)(de)自定义交换。 

在Simcenter Amesim瞬态(tai)期间，可以定义的事(shi)件触发这(zhei)些交换(huan)，如下所示。 

在这里，Simcenter STAR-CCM+运(yun)行(xing)是(shi)作为稳态计(ji)算执(zhi)行(xing)的。事件与“停止”组(zu)件关联，可以(yi)是(shi)基于时间的，也(ye)可以(yi)是(shi)基于任何系统变量更改的。

在巴(ba)士(shi)的示(shi)例中，有2个触发器(qi)：

• 基于时间的(de)触发，间隔(ge)不断增加，以便在冷却开始时更准确

• 一个与(yu)公(gong)交(jiao)车(che)速(su)度相(xiang)关(guan)(guan)的触发器，用于处理车(che)门的打开和关(guan)(guan)闭

下图是(shi)触发器的说明：

3D调用序列示意图

开门过程模拟    

在公(gong)交车(che)示(shi)例的场(chang)景中，将环境温度(du)设(she)置为35摄氏度(du)。当车(che)门(men)在公交(jiao)车(che)站(zhan)期间打开时(shi)，在车(che)门(men)处施加(jia)一(yi)个(ge)根据空气密度差计算的质量流量。为此，需(xu)要从门旁边的空(kong)气区域获取空(kong)气温度(du)和湿度(du)，如(ru)下所示。

开门和关门顺序的执行  

所用的解(jie)析模型(xing)由Pham和Oliver定义： 

[参考] Q.T. Pham, D.W. Oliver, Infiltration of air into cold stores, in: Proceedings of 16th International Congress of Refrigeration, vol. 4, 1983, pp. 67–72.

质(zhi)量流量分布如下： 

车门打开时的外部空气质量流量入口

总结

车(che)门的打开/关(guan)闭在这(zhei)里被认为(wei)是(shi)瞬时的，当然可以调(diao)整得更为(wei)现实。由此案例我们已经证明，Simcenter Amesim嵌入式(shi)CFD是(shi)通过多区域建模方法评估城市公交车(che)热舒适性的正确工具，尤其是(shi)在决策至关(guan)重(zhong)要的早(zao)期(qi)设计阶段。