ultraFluidX 动力舱热仿真

1. 动力舱热仿真的任务

动力舱是车辆，船舶，重型机械等装备的核心部位，通过 CFD 数值模拟，精准分析舱内温度场与流场的分布，主要完成以下设计目标：

• 优化热管理与散热设计，识别过热区域，评估并优化散热方案（如风道、冷却系统布局），防止设备性能下降或损坏；
• 协同布局与风道设计，确保气流顺畅到达关键部位，减少回流和短路；
• 换热器优化，提升传热效率，降低流动阻力；
• 风扇优化，匹配系统阻力特性，实现高效低噪运行。

2 ultraFluidX 模拟动力舱流场

和温度场的优势

2.1 节省大量 CFD 建模时间

动力舱结构复杂，包含动力设备、冷却系统、传动系统、进排气系统，壳体等复杂几何特征。传统网格法 CFD 需要简化模型，网格质量优化等操作耗费大量人工时间。LBM 方法“无网格”的特点，最大程度保留原始 CAD 特征，允许部件穿透、干涉，STL 三角形面仅用于定义壁面形状，无须高质量面网格。

2.2 稳健的瞬态高精度求解

LBM 方法是天然弱可压缩求解，全显式时间推进方法，不存在隐式迭代发散的问题。LES 大涡模拟准确捕捉流动细节。LBM 法直接求解温度方程，无须耦合其他求解器。

2.3 快速设计迭代

设计变动，如调整格栅或风扇，仅须替换部件，参数设置，格子生成，求解，后处理报告生成完全批处理自动化。

传统 CFD 模型的面网格

LBM 求解器的面网格

3 传统网格法 CFD vs. LBM

4 演示案例

• 机舱尺寸的长宽高为3.6*2.2*1.8米，风扇直径1米；
• 风扇的上下游各有2个换热器，外部空气从上游格栅吸入，从左右两侧和下游的格栅排出；
• 换热器1已知发热功率，换热器2已知入口冷却液温度；
• 排气管，发动机表面，油底壳表面分别设置高温边界条件，环境温度30℃；
• 分别计算风扇旋转（强制冷却）和静止（自动对流）两种工况。

动力舱外观

在HyperMesh CFD中导入CAD，采用Discrete→Surface→Rigid Body 方式生成 STL 三角形表面。

发动机装配体可以采用 CAD Wrapper 方式进行快速包面处理，保留几何特征，并自动缝合间隙，封闭管路进出口。

CAD

STL 面网格

叶片通常比较薄，Rigid Body 面网格参数设置 element size=5mm，feature angle≈1~5°，确保 STL保留重要高曲率变化面特征。

CAD

STL面网格

设置虚拟风洞的尺寸，基准格子尺寸Far Field=256mm，动力舱Box多层加密，壁面offset加密=2mm，风扇旋转区域加密4mm。

设置风扇旋转 OSM 模型。

风扇转动 OSM 模型

设置壁面温度边界条件。

排气管表面温度

发动机表面温度

壁面边界条件设置

设置空气属性和重力方向。

换热器参数设定：

• 粘性和惯性阻力系数；
• Constant Heat Power 或 Coolant Temperature；
• 冷却液流量，比热容；
• Heat Coefficients 定义换热器性能；
• 换热器芯上游约5~10mm位置设置监测面，统计入口面的空气属性，用于热平衡计算。

换热器的设置

换热器1的性能参数

换热器2的性能参数

5

换热器计算原理

5.1 Constant Coolant Temperature 模式

• 用户指定冷却液入口温度，求解器计算换热器的实际换热功率和冷却液的出口温度；
• 上游监测面用于统计来流空气的速度，密度和温度；
• 换热功率Q (h0/h1/h2为用户输入的换热系数)；

• 冷却液出口温度。

5.2 Constant Heat Power 模式

• 用户指定换热功率，求解器计算冷却液的进/出口温度；
• 上游监测面用于统计来流空气的速度，密度和温度；
• • 空气侧温升

  • 冷却液的进出口温度

设置Section Cut的位置，保存水平和垂直2个切面数据的频率和变量名称。

设置Run time物理时长，和Scaling factor系数：

• 温度场计算通常5~60秒之间，Scaling factor设置2~5，可以加速计算。

Thermal Model：

• 强制冷却Passive scaler；
• 自然对流Boussinesq。

为了加速计算，可以先采用粗格子，虚拟风扇（P-Q曲线）模型快速计算，获得近似结果。再将结果映射到细密格子，OSM风扇动网格模型计算，最终获得高精度结果。（详见在线帮助Expert Parameters章节的<initialization> - <seeding>功能）

本案例粗格子模型voxel为5百万，物理时间18秒，4v100计算1.6小时；精细格子模型voxel为8千万，物理时间3.8秒，4v100计算12小时。

6

ultraFluidX 分析结果后处理

垂直切面的格子分布

水平切面的格子分布

6.1 强制冷却工况，风扇500RPM

垂直切面的瞬态风速

垂直切面的瞬态温度

风扇从环境吸入空气，由于挡板的封闭作用，冷空气先全部穿过换热器1的芯部，流经发动机热表面，从两侧格栅排出一部分热空气，最后再经换热器2和格栅排出。

水平切面的瞬态风速

水平切面的瞬态温度

ultraFluidX求解器输出换热器的性能参数在工作目录的uFX_monitoringSurfaces\uFX_monitoring_surface.txt

换热器1冷却液进出口温差约10℃

换热器2功率约10.8kw

6.2 自然对流工况，风扇静止，发动机表面高温

垂直切面的瞬态风速

垂直切面的瞬态温度

水平切面的瞬态温度

7总结

ultraFluidX 采用 LBM 方法分析动力舱温度场和流场：

• 快速评估换热器性能，精确计算流经换热器的空气流量、温差以及换热效率，例如分析通过增大格栅开口和加装导流罩来增加新风量，从而提升换热器散热效率；
• 评估热气回流现象，防止加热后的空气没有顺利排出机舱，反而再次被吸入冷却模块前端，降低换热效率；
• 识别机舱内对高温敏感或易受热影响的部件（如线束、ECU、电池包等），并预测其在极端工况（如风扇停转）的温度水平，评估是否存在过热风险（热害分析）；
• 几何无须简化，快速评估复杂装配体内部的实际流动状态和温度场。在关键区域（如换热器表面、格栅进口、风扇周围）进行非常精细的空间离散，并基于多 GPU 并行加速计算，整体仿真效率优于传统网格法 CFD。

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