西门子工程咨询服务团队解决方案之动力系统热管理

前言

随着对动力系统热管理的要求越来越高，在三维水平上精确模拟多个固体和流体区域已成为开发高效部件的关键。这对于存在高度不均匀分布的温度和传热系数的问题尤其如此，例如发动机缸体、排气歧管和后处理系统。STAR-CCM+软件通过利用最新的高保真物理模型和高效的多相流和流固传热模拟技术，可以准确评估这些动力总成子系统的热性能。使用Amesim软件进行嵌入式设计探索，并与系统仿真耦合，有助于在整个开发过程中高效的前置设计、验证和集成，以最小的开发成本满足排放标准。

01、发动机热管理分析

发动机的热管理分析涉及的零部件包括气缸盖、气门、阀座、导轨、发动机缸体、垫片和活塞。使用STAR-CCM+软件种的共轭传热(CHT)分析功能，固体温度场可以与冷却液回路的流体区域耦合，也可以与进气和排气路径、燃烧室和油路耦合。通过将不同时间尺度的问题分离到单独的模拟中，再加上co-simulation的模拟方法，计算时间可以从之前的几周缩短到几个小时。通常情况下，对于给定的边界条件，在流体一侧评估温度场和传热系数，直到达到准稳态，然后映射到另一个模拟中作为界面处的边界条件，并在该一侧获得各自的收敛的解。这一过程不断迭代，直到达到两侧温度场平衡为止。对于燃烧室的热边界条件可以考虑利用缸内燃烧模拟的循环平均结果来模拟。数据传递也可以利用显式的映射接口的方法，该方法允许在单个分析模型中实现多时间尺度共轭换热。从而减少流固交换次数进一步提高了计算速度。于此同时热应力的分析也可以同步进行，利用STAR-CCM+软件中的FE应力求解器直接计算固体的应力场，帮助我们识别热应力集中的位置，为设计提供参考。

 02、发动机缸内燃烧分析

发动机缸内燃烧分析我们一般直接用STAR-CCM+自带工具cycle-average来模拟，模拟的关键技术是自动变形映射网格运动的工作流程，物理模型需要Reitz-Diwakar和KHRT 破碎模型，Huh 雾化模型，液膜模型以及燃烧模型等。各个流体子系统模拟所做的工作组合到一个模拟分析中，则可以准确预测固体中的周期平均温度和热流分布。使用循环平均工具，我们还可以模拟瞬态发动机预热场景和负载变化，在三维中整合所有相关的冷和热源，实现相对系统级的发动机热分析。

 03、SCR后处理分析

选择性催化还原(SCR)柴油后处理系统，也有非常完善的解决方案。利用co-simulation的方法预测流体膜与排气系统和混合元件壁之间的热相互作用。该方法分三步进行。模型分为A和B两个模型，B对液膜进行建模，并将壁面温度传递到模型A。A模型是建模喷雾喷射循环，将喷射循环内的源从喷雾到膜和气体的平均温度传递到到模型B。当检测到壁面温度的变化影响喷雾边界条件时，先启动模型B，模型A会被从启动。该方法的计算时间相对早期在一个模型中模拟的方法节约了较多的计算成本，同时获取大量瞬态温度的验证证据，这也为预测SCR系统中流体膜反应和沉积提供了条件。虽然该技术的开发是为了在SCR分析中实现高效的长时间瞬态运行，但它也可以用于其他由喷雾撞击和壁湿化现象触发的长时间冷却效应的领域，如燃油喷射发动机等。

 04、排气系统热分析

排气系统的流固耦合换热分析通常我们采用流体和固体不同的时间步进行解耦求解。在解耦模拟中，流体和固体通过交界面传递信息，映射的接触交界面特别适用于热传递模拟这些交界面处的网格可以是非共形的。固体和流体在一个模型中，求解的切换需要用户自己来定义，根据我们的工程实践，切换法则也就每个循环的停止法则考虑用从流体到固体的表面平均或时间平均热通量。如果流体求解稳定，则此物理量渐近地收敛,温度将用作从固体到流体的切换条件。

 05、发动机缸内燃烧分析

发动机热模拟的最终目标是发动机产品开发，那么设计更改和优化是必经之路。设计优化在产品设计研发中可以承担的工作很多，小到垫片孔大小的分析，大到一维三维耦合热流耦合的优化。以垫片孔优化为例，利用STAR-CCM+自带的Design Manager 工具，基于其SHERPA算法，目标是使冷却水套压力损失最小化，优化垫片孔且满足所有热约束。

也可以结合Amesim一维仿真的优化分析。为了计算实际瞬态驱动循环条件下冷却液和固体温度的变化过程，需要准确预测局部的热交换，虽然一个完整的动力总成系统的热分析通过一个三维的驱动循环工况能够完成，但是为了更高效更节约时间，我们更推荐用STAR-CCM+流体和一维Amesim耦合的方法。STAR-CCM+模拟关键的三维热源零部件，而Amesim模拟整个热系统，关键的数据通过两个软件之间的直接接口做传递，从而可以同时提高了两个模型的准确度。这种联合分析方法减低了计算时间提高了效率。

一个典型的案例模拟一个完整的发动机热管理系统，考虑水套设计的局部影响。该方法可以基于三维瞬态边界条件来评估水套启动阶段的完整详细冷却液循环流程。同时还可以做水套几何形状的设计探索。将整车系统模拟与高保真发动机热和流动模拟相结合，来准确识别高热点并评估真实驾驶条件下的冷却液温度。一维系统级分析可以评估车辆在实际热负荷下的燃油经济性，而热负荷源可以是优化变参量。耦合方法可以以经济有效的方式最大限度地提高发动机的热性能和可靠性，取代早期的物理测试，避免后期的故障排除。

 06、总结

动力系统的热性能直接影响整车的热性能，因此围绕发动机周边的动力总成子部件的热性能设计及仿真分析尤为重要。我们围绕这些部件分别建立了各自的热管理仿真思路及方法并不断的优化技术思路提高运算效率，使其更好的满足仿真结果指导产品设计的最终需求。