西门子工程咨询服务团队解决方案之1D/CFD 联合仿真技术

对于今天的工程师来说，利用多种工具的能力对于保持竞争力至关重要。日益严格的法规和不断增加的原型成本意味着预测分析现在比以往任何时候都更加重要。

在当今快节奏变化的环境中，工程师需要找到最优化的开发时间和成本的方法，同时又能最大限度地提高产品性能和可靠性，1D/CFD联合仿真技术是实现这一目标的一种重要方法和途径。

1、1D/CFD联合仿真工作原理

使用1D/CFD联合仿真具有许多优点，仿真分析中，单独应用一种工具时可能会造成某些信息的缺失，而1D和CFD仿真可以有效的进行相互补充。这种技术可以帮助工程师实现更复杂、更真实的模拟。

通常，1D仿真速度非常快。然而，为了达到这一速度，1D仿真做出了许多假设，例如没有考虑详细几何的影响。相反，CFD仿真可以考虑更多的细节和精度。但是，使用CFD仿真在模拟一个完整的系统时，其计算成本往往会非常昂贵。

通过结合这两种方法，工程师既可以利用CFD仿真提供的高详细度、全面的模型，同时又可以享受1D仿真带来的速度提升。

1.1  常见的工程挑战

开发新产品的公司通常面临两类挑战：一是工程和设计；二是业务相关因素，例如上市时间和产品开发成本。我们的客户经常问自己这样的问题：

• “我如何提前决策以避免开发生命周期后期出现问题？”

• “如何减少开发时间和成本？”

•  “我如何设计和虚拟验证一个完整的系统，而不仅仅是组件？”

  
  

在这篇文章中，我们将分享一些使用1D/CFD联合仿真技术应对以上挑战的案例。

2、1D/CFD联合仿真在车辆行业应用

汽车座舱舒适性和车辆热管理是使用1D/CFD联合仿真对开发时间和成本产生重大影响的两个领域。

2.1  供暖通风与空气调节系统HVAC

汽车制造商为客户改善座舱舒适度的一种方法是优化HVAC系统。利用1D/CFD联合仿真对HVAC特别有效，因为它允许对系统进行完整的表征，同时最大限度地减少物理测试并缩短产品的开发生命周期。

2.1.1 捷豹路虎案例

捷豹路虎（JLR）是一家专门使用仿真设计HVAC的公司。在对车辆座舱进行建模时，大多数仿真可能只关注流体域。然而对于高保真仿真需要对座舱内的空气和部件进行建模。这包括各种各样的部件，包括仪表板中的电子设备以及座舱中的玻璃和镶板。JLR在Simcenter STAR-CCM+中使用CFD仿真来捕获热流行为。

通过这些仿真，JLR能够显著改善车辆的座舱舒适性。该团队还缩短了开发时间，减少了物理测试，提高了HVAC系统性能。

2.1.2   1D/CFD联合仿真应用

虽然CFD仿真提供了更详细的模拟，但通过Simcenter Amesim进行的一维仿真可以消除对制冷回路进行详细建模的需要，特别是对于不是重点关注的区域。而这些区域通常涉及复杂的相变，计算成本高昂。工程师可以使用CFD仿真来校准和验证1D系统分析。

通过将Simcenter STAR-CCM+中的CFD仿真与Simcenter Amesim中的1D仿真相结合，西门子Simcenter工程咨询服务团队能够在几天内完成一个从CAD到后处理的仿真过程，这是对以前方法的重大改进。更快的过程意味着更多的设计探索，这将产生更有效的设计，在生产前识别和解决问题，对设计更新进行验证和确认。

2.2  机舱热流仿真

提高产品的能效是许多汽车制造商的一个重要关注点。在车辆开发过程中，能效最重要的性能指标之一是机舱内冷却部件分布。对进入发动机舱的前部气流的管理对于确保冷却系统正常工作至关重要。它直接影响发动机性能、冷却能力和乘客热舒适性。

公司在启动新车计划时可以有几十种格栅和热交换器配置。对每个可能的配置进行物理测试将非常昂贵和耗时。对于工程师来说，更好的选择是通过仿真来评估不同的设计，甚至将机舱的热分析与座舱舒适性仿真相结合。这提供了车辆性能的更完整视图，可以替代一些测试和原型设计。

2.3  机舱热管理

合适的前端气流的一个关键指标是，在最恶劣的负载条件下，将机舱内部件的峰值和平均温度保持在材料极限范围内。

在下面的案例研究中，西门子Simcenter工程咨询服务团队模拟了新的欧洲行驶循环（NEDC），重点关注了冷却液回路。

西门子Simcenter工程咨询服务团队在Simcenter Amesim中构建了一个1D系统模型。它包括从散热器出口回到进口的冷却液回路，包含所有的泵和阀门。由于三维模型的发动机内部几何结构不可用，一维模拟提供了一种有效的方法来提高模型保真度并保持计算速度。利用1D系统模型，Simcenter工程咨询团队仍然合理的对气缸的冷却套和热输入进行了模拟。

接着西门子Simcenter工程咨询服务团队使用Simcenter STAR-CCM+对车辆的其余部分进行了CFD建模，从而能够探索散热器的设计空间以及车辆前端格栅和管道的有效性。他们将NEDC的瞬态边界条件应用于一维和三维模型，包括车速、入口速度、泵速曲线和车轮转速。

在运行NEDC工况时，西门子Simcenter工程咨询服务团队监控了几个关键区域，包括散热器顶部水箱的温度。散热器顶部水箱温度是设计冷却系统时的一个重要参数，因为它提供了有关系统在各种负载条件下如何运行的信息。计算冷却液温度演变需要准确的散热器压降计算和局部热交换，以确保有足够的流量来维持关键发动机零件在适当温度。通过使用CFD模型，工程师能够监控系统性能，并预测各种负载条件下整车的温度分布。

2.3.1 结果

散热器的入口和出口参数在1D和CFD模型之间每1秒交换一次，总仿真时间为1180秒。此外在每个循环期间会监测CFD模型的收敛情况。相比之前，1D/CFD联合仿真方法使得计算时间有了巨大的提升。

3、Simcenter客户在数字化领域领先

汽车行业正处于数字化转型期。无法或不愿相应调整组织和流程的公司将被整个行业远远的甩在后面。

3.1  戴姆勒

戴姆勒是引领行业变革步伐的领先原始设备制造商之一。仅在2015年，戴姆勒的汽车数量就增长了15%以上，而利润增长了10%以上。盈利能力的提高部分是由戴姆勒对数字化投资推动的。该公司已将其开发过程从构建多个物理原型和测试阶段过渡到仅在最后构建一个物理原型进行验证和确认。

戴姆勒的成功部分归功于其对数字化的投资。

戴姆勒向数字化过渡的一部分是由其与西门子Simcenter工程咨询服务团队的合作推动的。在西门子Simcenter工程咨询服务团队的支持下，戴姆勒已经能够研发最先进的热模型。在该模型中，数千个部件在不同的负载条件下通过虚拟环境进行峰值温度测试。这使得在制造第一个原型之前可以防止热故障。

如今，西门子Simcenter工程咨询服务团队继续支持热防护的开发，以增加部件和驱动循环的细节设计，同时缩短建模和计算时间，帮助戴姆勒保持其在热防护方面的领先地位。

3.2  三菱汽车

三菱汽车研发中心车辆功能测试部的热和流体动力工程开发小组主要从事与冷却性能、耐热性和空调相关的开发。包括两个方面：第一个是在车辆制造前的设计阶段使用CAE预测性能，第二是在车辆生产后进行物理测试。

三菱汽车公司（Mitsubishi Motors Corporation）使用1D/CFD联合仿真来改善电动汽车的电池性能

该小组利用CFD仿真来预测发动机舱的冷却、通过热交换器的气流以及发动机舱中零件的热损坏。使用1D工具模拟冷却液、发动机机油和变速箱温度。

该团队最近与西门子Simcenter工程咨询服务团队合作，以提高电动汽车的电池性能。他们使用Simcenter STAR-CCM+来改善冷却性能，开发设计探索方法，并更好地理解分析结果。由于这种合作关系，三菱汽车公司在电池设计方面取得了重大改进，并获得了宝贵的仿真技术和知识。

西门子Simcenter工程咨询服务团队为客户带来了最佳实践、工作流效率和行业专业知识，使用1D/CFD协同仿真技术可以帮助用户解决最棘手的工程难题。