系统仿真软件Amesim学习 空调系统 amesim教程空调

这期还是想趁热打铁，再次夯实一下Amesim的基础知识和建模例子学习，一样分享给大家共同学习一下。

一、再谈热管理基础

1. 导热与热流

导热概念：φ = -λ×A×（dt/dx），代表单位时间内通过该层的导热热量与当地的温度变化率以及平板面积A成正比，其中λ为热导率，也叫导热系数，公式中负号代表热量传递方向与温度升高方向相反。

λ参数（W/Mk）常见的纯铝为237，纯铜为401，钢为36~54，ABS为0.25，PP为0.21~0.26，橡胶为0.19~0.26，玻璃为0.5~1等等，同一材料导热系数与温度等有关。

一维稳态导热：

q = φ/A = λ×（dt/dx）

热流量（电流）：单位时间内通过一定面积的热量

热流密度（面积热流量）：电流密度：单位时间内通过单位面积的热流量，单位W/m2。

一个小例子：已知某材料厚度为25cm，内外表面温度为25℃和30℃，计算壁内的温度分布和通过的热流密度

Step1：选择材料

注：材料选择“User define”，Type of definition 选择constant value，热换效率选择0.87。

Step2：点击换热元件，选择平面类型换热（还有圆柱等等类型，之前说过）

Step3：面积设置1平方米，厚度250mm

Step4：仿真：

结果为-17.4w/m2，这个和使用公式计算结果相同。

可以根据产品的表面积和温升要求推算材料采用何种换热模式：

2. 对流

指由于流体宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程，仅发生在流体中，对流的同时必然伴随导热现象。

根据对流是否发生相变分有相变的对流换热和无相变的对流换热；根据引起流动原因分自然对流和强制对流。

根据牛顿冷却公式，热流密度 q = hδt ，热流量φ = Ahδt，其中h为比例系数，即表面传热系数 W/(m2.K)

表面传热系数大小不仅取决于物体的物性、换热表面的形状、大小相对位置，而且与流体的流速有关。

一些对流的表面系数如下：

空气自然对流一般是3~10，空气强制对流是20~100，水自然对流是200~1000，水强制对流是1000~15000，水沸腾时2500~25000，相变是10000~100000

3. 辐射

物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。

辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称为辐射换热。

自然界中的物体都在不停向空间发出热辐射，同时又在不断的吸收其他物体发出的辐射热，这说明了辐射换热是一个动态的过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程依旧在不停运行，只是辐射热和吸收热相等。

导热和对流两种热量传递方式均需要物质存在的条件下实现，而辐射不需要中间介质，在真空中的辐射传递最有效。

玻尔兹曼定律：热流量：

e为发射率(黑度)，值总小于1，与物体种类和表面状态有关，a为黑体辐射常数：5.67×10(-8次方）(m2.K4)

换热量：

小例子：一个边长为10cm的立方体铝块放置空气中，平均温度1000℃，环境温度20摄氏度，2h后温度多少？

Step1：快速建模如下：

同理设置左边的换热角度为0度

Step2：终止时间设置7200s，运行仿真：

2h后整个物体温度为28度：

黑度的参数(部分)：

若对于一个面的传热分析，一般存在三个环节：热流体->壁面高温侧；壁面高温侧->壁面低温侧；壁面低温侧->冷流体

若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同

φ = Ah1(tf1 - tw1), φ = Aλ/δ×(tw1 - tw2), φ = Ah2×(tw2 - tf2)

这个过程是非常典型的换热器的计算过程。

上式整理：φ = A(tf1 - tf2)/(1/h1+δ/λ+1/h2)

也可表示为：φ = Ak(tf1-tf2) = Akδt，k为传热系数，单位W/(m2.K)

传热系数K = 1/（1/h1+δ/λ+1/h2）

热量传递是自然界的一种转换过程，规律为过程中的转换量 = 过程中的动力/过程中的阻力。动力为温度，阻力为热阻。

对于三层平壁稳态导热，这种传热也比较常见，和电阻串联类似：

换热量由下式计算：

一个小例子，由三层材料组成的加热炉墙，耐火砖+硅藻绝热层+红砖，厚度和导热系数分别是：φ1 = 240mm，λ1 = 1.04w/(m.℃)，φ2 = 50mm，λ2 = 0.15w/(m.℃)，φ3 = 115mm，λ3 = 0.63w/(m.℃)，炉内侧耐火砖表面温度为1000℃，求硅藻层的平均温度及通过炉墙的导热热流密度。

注意：Amesim中给出的都是平均温度，所以对于不均匀温度需要取平均

理论计算：q = (t1-t2)/(φ1/λ1+φ2/λ2+φ3/λ3) = 1259w/m2

t2 = t1 - q×φ1/λ1 = 700℃

t3 = t2 - q×φ2/λ2 = 289℃

Amesim快速建模如下，根据参数设定初始值，这里设置墙长宽1m为了方便计算热流密度：

设置材料参数：

因为导热只能导到中间，所以导热长度只能选择壁面厚度/2

结果大家可以自行计算和理论比较。

二、空调系统与新能源热管理

其实对于整体建立整车的热管理总体可以分成如下几个方面：

• 整车模型

• 电池、电机、(增程器/发动机)模型

• 空调系统（AC,HP）

• 驾驶乘员仓

• 电池、电机冷却系统
  

搭建系统对于1D,3D耦合仿真，和simulink联立建立控制策略的分析，我们的目的也是这个，冷却系统的匹配，实际驾驶工况以及制冷采暖对于续航的影响分析，电池降温和保温的分析策略，这是利用Amesim可以做的。

Amesim对于制冷系统的解决方案：（管路的分析，制冷剂的分析，零部件如EDC的分析，和Simulink联合仿真等等）

对于空调制冷系统而言：

1. 压缩机：1D建模只需要考虑机械效率、容积效率和等熵效率，相对较为简单；
   

2. 热力膨胀阀主要考虑各个相线的map，电子膨胀阀取决于控制策略。

3. Amesim需要注意的建模是换热器的建模

   
   

换热器的建模可以基于实验数据，就是根据风侧和制冷剂侧的换热函数得到散热器的换热量，通过数表的方式建模。

对于单相的换热器，可以通过实际数据回归拟合NTU方程去模拟实际参数。

大家可以看一下demo help去学习一下demo，换热器是可以在amesim中进行建模和标定的。

对于空调建模基础和Amesim基本了解就到这里，后面主要还是回归到实际的制冷系统建模和Simulink联合仿真的学习和实例上来。

完。

文章来源：有温度的汽车人