本田——为什么热管理 CFD 需要全耦合共轭传热仿真
2023年5月25日 17:47作者：Lohitasyudu Gorli，航空、多物理场和燃烧产品及应用工程师，Kilian Claramunt，多物理场组长，Yingchen Li，Openlabs & Adjoints Responsible - Cadence Design Systems
汽车行业的开发周期不断缩短，推动了对可靠的自动化仿真过程的需求，以在短时间内提供准确的结果。此外，随着计算资源的可用性和成本效益不断提高，计算流体动力学 (CFD) 模拟能够顺利处理越来越复杂的物理及其相互作用。
在此背景下，本田正在寻找一个用于完全耦合仿真的综合工具链，以解决整车热管理问题，以用于本田 CR-V 车型的设计。他们需要准确、真实的结果，并希望大幅减少获得这些结果所需的总体工程时间。他们选择了 Cadence Omnis，在下面描述的案例中，您可以了解他们是如何实现目标的。
项目介绍
对于本田 CR-V SUV 模型的设计，本田希望获得详细汽车几何形状的全耦合热 3D-CFD RANS 模拟。模拟的主要目的是清楚了解汽车引擎盖下的所有热学方面。需要考虑所有相关的热源：发动机、排气系统、散热器、冷凝器和风扇。
他们需要一种能够处理大规模耦合仿真的求解器，同时在一个仿真中考虑外部流动、旋转组件、多孔介质、共轭传热、热交换器建模和辐射。Omnis Open-DBS 就是他们的答案。对于网格划分，他们使用了Omnis Hexpress，特别关注非结构化、共形、多块网格划分，为复杂、详细的网格提供了令人印象深刻的周转速度。
啮合
模拟需要一个高质量的网格，其中包含用于汽车所有部分的块，这些块可以充当散热器或热源，或者在热传导、对流或辐射中发挥重要作用。
相邻网格块和相应界面的定义是自动完成的，显着减少了设置工程时间。这也确保了所有块之间的连接是共形和匹配的，消除了由插值引起的不准确。
使用 Omnis Hexpress，可以立即导入原始的、不完美的 CAD 数据，无需任何手动预处理或调整。这意味着可以进一步显着节省工程时间。
图 1：本田 CR-V 车型的几何和网格组合视图
图 2：发动机缸体的剖切部分，排气歧管内有空气，网格完全共形的外部空气
总的来说，由此产生的多块网格包含 57 个不同的块，所有这些块都通过节点共形界面连接。对于可行性研究，第一次尝试没有插入粘性层。相反，壁函数用于模拟边界层中的流动。这种方法导致了 4.2 亿个单元的网格大小，涵盖流体和固体域，在 32 个核心上在不到 9 小时的时间内创建。
共轭传热
为了获得真实和准确的传热预测，在能量方程中考虑了几何体的不同固体部分，并分解了热传导方程。固体的热性能由它们的导热系数表征。在固液界面，热通量基于固体和流体之间的温度梯度隐式应用。
表面对表面辐射
发动机表面、排气管和其他框架之间的辐射能交换几乎不受气流影响，因此选择表面对表面 (S2S) 辐射模型来模拟冷热部件之间的辐射热交换.
通常假设所有表面都是灰色的漫反射器（因此也是吸收器），以及灰色的漫反射器。有了这些假设，就可以应用辐射度-辐照度方法 [2]，需要计算视角因子。在 OMNIS Open-DBS 中，随机光线追踪方法 [3,4,5,6] 用于计算这些视角因子。
得益于光线追踪算法的高性能，本田汽车的视角系数可以在一个小时内计算出来，使用 200 多个处理器，每个边界面使用 1,000 次光线拍摄。辐射与流的耦合可以应用于可选择的水平。当辐射很强时，可能需要更多的耦合周期。
换热器型号
散热器和冷凝器被建模为具有各向同性压力损失的多孔介质。Omnis Open-DBS 的 OpenLabs 用于定制这两个模块，确保每个模块的压降与实验数据相匹配。对于散热器块，除了压降之外，还定义了稳态 CFD 计算和热一维计算之间的耦合策略。冷却液温度在其整个流动路径中变化，散热器在块体上方的散热不均匀。热交换器子系统由主要流体、空气的 CFD 网格和沿着由冷却剂定义的辅助流体流动方向重叠的二维粗化网格形成。这种通过将换热器核心分成宏观单元来建模换热器核心的方法，
旋转机械
对于反向旋转风扇，OMNIS Open-DBS 提供两种型号。可以使用不包含整个几何形状但仅模拟对流动的影响的致动器盘模型来引入增加的动量和能量。然后可以通过可编程的 OpenLabs 接口定义源术语。另一种方法是构建包含风扇的圆柱形块，然后使用转子/定子接口将它们连接到周围的域。本田选择了第二种方法，结合冻结转子接口。虽然这只代表时间上的快照，但优点是鲁棒性高和计算成本低。包含风扇的块与外部空气域共形连接。
图 3：散热器和冷凝器前面的反向旋转风扇
结果
完全耦合的 CHT 仿真在空气动力学性能和热管理预测方面都提供了高度逼真的结果。
图 4 显示了汽车的外部空气动力学，显示了汽车周围的压力分布和流线。车轮前的压力分布清楚地显示了车底流动的复杂性，这对车身底部的热预测有很强的影响，这也是这里采用全耦合 CHT 仿真的原因。
图 4：汽车前部的静压分布和外部空气动力学视图
图 5 清楚地表明，发动机和消声器表面的温度和热通量都不是恒定的。如果没有同时捕获共轭传热效应的耦合 CFD 仿真，则绝对无法对发动机和排气系统中的热相互作用进行准确建模。
图 5a：发动机表面温度
图 5b：发动机周围的水平剖切面
如图 6 和图 7 所示，较大的温差会导致强烈的辐射传热。要在此处实现准确的热预测，需要将共轭传热与辐射模型直接耦合。
图 6：排气管的温度
图 7：排气系统的静态温度和车身底部的流动结构
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