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引入ROM方法的乘员舱热分析

2023-09-17 11:19:32·  来源：Simcenter ECS 工程咨询服务  
　

前言

传统上，暖通空调机的功能只是为了满足基本的舱内升温降温需求以在特定时期设定温度。今天，尤其是在新能源汽车上高效节能是我们研发的重点，关键是要兼顾考虑乘客的舒适度而不是简单的客舱温度。这就需要结合加热座椅，散热器加热器等和能耗相关的部件综合考虑舒适性问题。 


01、三维乘员舱热分析 


在设计基于乘客舒适度的客舱暖通空调时，分析人员需要考虑车内所有的热传递。这包括捕捉太阳辐射的影响、移动/静止的车辆、通过车辆外部进来热量传递、座椅加热器、方向盘加热、辐射加热器和乘客产生的热量。所有这些都需要与来自HVAC系统的气流的做热传递过程。  

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 我们希望通关三维流体方法来捕获舱内的所有传热路径，从而分析预测乘员的热舒适性或者空调的制冷制热能力。利用STAR-CCM+中的3D模型整理舱内模型，通常需要建模关键的实体部件和舱内的空气环境来组成CHT模型。模型需要考虑三种传热模式——传导、对流和辐射(S2S和太阳能)。我们可以在STAR-CCM软件工具中捕获所需的所有物理特性，包括传热辐射级流体的固体等一切分析所需的参数。一旦仿真模型设置好，我们就可以基于不同的工况进行快速设计研究，通过优化分析减少管道中的压力损失，或帮助优化HVAC管道通风口的位置等。 

客舱三维流体仿真建模方法多种多样，最准确的是模拟固体从内部到外部的传导。完整的3D CHT模型确实需要相当成熟的车辆设计。虽然精度更高，但由于同时求解外部流和内部流，也增加了模型建模的复杂性，增加了仿真时间。 

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02、一维乘员舱热分析  


高保真的CFD模型具有很高的预测性，但计算量非常大，不适合控制开发。对于控制开发，理想的答案应该是接近实时的，也就是一维系统级分析，能够查看确定能源管理所需的长驱动周期。一维系统分析可以考虑空调不同开启模式等各种瞬态复杂工况的性能，同时具有各种类型的热交换器(翅片管/钎焊板)，压缩机(固定和可变位移)和膨胀装置的现成组件，可以考虑热泵，压缩机，HVAC 及风机等相关部件在系统环境下的性能，同时支持各种类型的暖通空调制冷剂。特别是需要考虑循环工况的分析时一维能快速得到预测结果，并快速优化相关量找到合适的设计参数，这在设计初期定义重要参数和整车架构方向阶段非常高效。 

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03、基于ROM方法的乘员舱热分析 


一维系统分析的局限性在于无法获得详细的三维的流场压力等场信息以及关键位置点的温度速度等空间上的数据，在设计周期的后期我们更希望获得全面的分析与预测，因此我们采用了基于ROM方法的一维和三维耦合的方式来兼顾精度和速度。利用Simcenter ROM builder直接连接一维和三维两个系统，利用ROM模型得到三维的热和流场数据的代理模型，再耦合一维模型做基于瞬态模型且实时快速预测不同工况的性能，同时系统级一维模型由于兼顾周边部件在整车工况下的吸能，因此能更准确的预测并优化关键部件的性能，在设计早期避免可能出现的问题。ROM builder，它还提供了一种方法，让设计师可以交互式地查看不同HVAC设置的变化，并立即响应这些变化对乘客热舒适的影响。当用户查看控件的设计时，ROM帮助将不同的系统工具连接在一起，并提高了工具预测的准确性。 

利用ROM神经网络模型可以获得不同传感器位置(乘客头部，脚/前部，头顶)的所有温度的演变。因此，这是一种用机舱切片的3D CFD计算结果“增强”1D系统描述的方法。同时，也能观察到SimcenterAmesim一维模型中的任何变量(组件行为，控制等)，同时可以匹配或者预测关键部件的性能，兼顾了速度和精度。

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结论

随着对空调舒适性要求的提高和新能源汽车对能量管理的要求以及研发周期的不断缩短，单纯的评价空调降温、采暖过程以及吹面、吹脚模型已经无法满足对舒适性的要求。而单纯的三维流体空调热舒适性分析和单纯的一维系统级空调舱热分析也无法满足当前新能源汽车性能及研发周期的要求，那么基于ROM的一维和三维的耦合分析则开启了新的思路。三维的ROM模型联合一维的系统级模型，兼顾一维计算实时循环工况的优势和三维计算详细流场和温度场的考虑。 

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