设计一个复杂的汽车冷却系统

作者：明导电子机械分析部门 John Isaac

在当今的汽车领域，许多系统和零部件在设计过程中都需要进行计算流体力学 (CFD) 分析来确保其最佳的性能、可靠性、成本和上市时间。这些系统和零部件有可能是结构件，也有可能是电子元件，或者两者皆是。CFD 分析是系统设计的三大方法之一。除此之外，系统设计中还有一种方法是制作物理样机，测试物理样机，之后对设计进行优化改进，并且需要重复这个过程，这种方法花费极为昂贵和并且十分费时。还有另外一种方法就是过度设计，这会带来“安全”的解决方案，但可能成本效益较低，而且可能对想在窄带宽中运行的系统的性能造成损失。在设计早期和整个设计过程中将“虚拟样机”结合 CFD 分析，能以较低的成本（更少物理样机）提供最优化的系统，并让系统更快上市。

复杂汽车系统中非常有代表性的例子是发动机和润滑油冷却系统。说它复杂是因为它不仅包含冷却液输送管道系统，还包含能真正使发动机冷却的发动机冷却水套等零部件。让我们来探讨这一设计过程能如何进展以及 CFD 工具如何用于优化这一系统。

关键的工具选择

假设我们为一家正在开发新汽车模型的汽车公司工作，但我们希望使用经过多年验证的可靠发动机。我们必须设计一种新的冷却系统，它将使用这种发动机，但要求发动机和车厢具备新的管道系统。我有两种 CFD 分析工具，其中一种能用于分析管道系统，可视为一维（指流体在冷却液管道中单向流动）分析。另一种三维工具能分析复杂流体流动和热交换的零部件。所要设计的系统明显是一维管道系统和三维复杂零部件的结合，我该用哪种 CFD 工具来分析这个系统呢？


图1 – 该汽车冷却系统包含简单的管道，以及发动机水套等非常复杂的零部件

仿真分析一维工具明显比三维工具快得多，但在模拟复杂的水套时准确度不够。但如果我们只使用三维 CFD 工具来分析整个系统，我们可以得到我们需要的准确结果，但仿真计算时间将会太长，从而不能实现利用数种设计方法进行虚拟实验的目的。最好的方法还是整合一维和三维工具以及利用二者特长。

一维-三维 CFD

明导电子最近宣布推出一个有效结合和利用一维 CFD 工具 Flowmaster® 和三维工具 FloEFD® 特长的解决方案。图2 说明了这一结合了一维和三维的解决方案如何为该例汽车冷却系统工作。


图2 – 结合一维和三维的 CFD 取两者之长，使分析兼具速度和准确性。

最初，冷却系统设计师定义了可穿过水套的压力和流动速率等一系列边界条件。他们通过了解待设计汽车的常见驾驶情境以及将如何关联到发动机最大扭矩转速 (RPM) 和水泵性能来确定这些数值。

发动机/水套的结构设计师使用 MCAD 系统内嵌的 FloEFD 工具，在水套上进行详细的流体流动和热交换分析。她根据系统设计师提出的边界值范围建立了一套 FloEFD 分析。这可能需要通过三维分析运行30、40、甚至更多批模型。这些运行生成的数据自动拟合成详细的特征图，现在构成一套完整的水套模型。模型中输入了水套边界条件，生成了冷却液（和发动机）流动温度。

该模型被简单地嵌入 Flowmaster 工具相关数据库。如今系统设计师能通过新汽车模型预期的系列驾驶情境来进行冷却分析。冷却系统中可加入设计变化，从而运行执行分析。水套模型保持完好无缺，因为它涵盖了所有可能的操作环境。

复杂零部件（水套）三维仿真的准确性结合一维冷却系统分析的速度，将两者最大优点整合到一个系统中。有了分析速度，系统设计师能够设计出在具有最佳性能的小带宽运行的冷却系统，温度范围可能在3-4°C。若冷却系统在超过该最佳范围的温度下运行，则可能导致过热以及汽车制造商高额保修费用。在低于最佳温度范围的温度下运行则可能导致过度排放和汽油里程数过少。

同样的方法可用于其它汽车系统，如排气装置、燃油和车厢空调等。它还能用于军事/航空等行业的燃油供应和环境控制、化学加工、能源和公用事业等等。