汽車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程探究及系統(tǒng)優(yōu)化

在當(dāng)今的汽車領(lǐng)域，許多系統(tǒng)和零部件在設(shè)計(jì)過程中都需要進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析來確保其最佳的性能、可靠性、成本和上市時(shí)間。這些系統(tǒng)和零部件有可能是結(jié)構(gòu)件，也有可能是電子元件，或者兩者皆是。CFD分析是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三大方法之一。除此之外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還有一種方法是制作物理樣機(jī)，測(cè)試物理樣機(jī)，之后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并且需要重復(fù)這個(gè)過程，這種方法花費(fèi)極為昂貴和并且十分費(fèi)時(shí)。還有另外一種方法就是過度設(shè)計(jì)，這會(huì)帶來“安全”的解決方案，但可能成本效益較低，而且可能對(duì)想在窄帶寬中運(yùn)行的系統(tǒng)的性能造成損失。在設(shè)計(jì)早期和整個(gè)設(shè)計(jì)過程中將“虛擬樣機(jī)”結(jié)合CFD分析，能以較低的成本（更少物理樣機(jī)）提供最優(yōu)化的系統(tǒng)，并讓系統(tǒng)更快上市。

　　復(fù)雜汽車系統(tǒng)中非常有代表性的例子是發(fā)動(dòng)機(jī)和潤滑油冷卻系統(tǒng)。說它復(fù)雜是因?yàn)樗粌H包含冷卻液輸送管道系統(tǒng)，還包含能真正使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套等零部件。讓我們來探討這一設(shè)計(jì)過程能如何進(jìn)展以及CFD工具如何用于優(yōu)化這一系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵的工具選擇

　　假設(shè)我們?yōu)橐患艺陂_發(fā)新汽車模型的汽車公司工作，但我們希望使用經(jīng)過多年驗(yàn)證的可靠發(fā)動(dòng)機(jī)。我們必須設(shè)計(jì)一種新的冷卻系統(tǒng)，它將使用這種發(fā)動(dòng)機(jī)，但要求發(fā)動(dòng)機(jī)和車廂具備新的管道系統(tǒng)。我有兩種CFD分析工具，其中一種能用于分析管道系統(tǒng)，可視為一維（指流體在冷卻液管道中單向流動(dòng)）分析。另一種三維工具能分析復(fù)雜流體流動(dòng)和熱交換的零部件。所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)明顯是一維管道系統(tǒng)和三維復(fù)雜零部件的結(jié)合，我該用哪種CFD工具來分析這個(gè)系統(tǒng)呢？

　　圖1：該汽車冷卻系統(tǒng)包含簡(jiǎn)單的管道，以及發(fā)動(dòng)機(jī)水套等非常復(fù)雜的零部件

　　仿真分析一維工具明顯比三維工具快得多，但在模擬復(fù)雜的水套時(shí)準(zhǔn)確度不夠。但如果我們只使用三維CFD工具來分析整個(gè)系統(tǒng)，我們可以得到我們需要的準(zhǔn)確結(jié)果，但仿真計(jì)算時(shí)間將會(huì)太長，從而不能實(shí)現(xiàn)利用數(shù)種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的目的。最好的方法還是整合一維和三維工具以及利用二者特長。

一維-三維CFD

　　明導(dǎo)電子最近宣布推出一個(gè)有效結(jié)合和利用一維CFD工具Flowmaster和三維工具FloEFD特長的解決方案。圖2說明了這一結(jié)合了一維和三維的解決方案如何為該例汽車?yán)鋮s系統(tǒng)工作。

　　最初，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)師定義了可穿過水套的壓力和流動(dòng)速率等一系列邊界條件。他們通過了解待設(shè)計(jì)汽車的常見駕駛情境以及將如何關(guān)聯(lián)到發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速（RPM）和水泵性能來確定這些數(shù)值。

　　圖2： 結(jié)合一維和三維的CFD取兩者之長，使分析兼具速度和準(zhǔn)確性

　　發(fā)動(dòng)機(jī)/水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師使用MCAD系統(tǒng)內(nèi)嵌的FloEFD工具，在水套上進(jìn)行詳細(xì)的流體流動(dòng)和熱交換分析。她根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提出的邊界值范圍建立了一套 FloEFD分析。這可能需要通過三維分析運(yùn)行30、40、甚至更多批模型。這些運(yùn)行生成的數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合成詳細(xì)的特征圖，現(xiàn)在構(gòu)成一套完整的水套模型。模型中輸入了水套邊界條件，生成了冷卻液（和發(fā)動(dòng)機(jī)）流動(dòng)溫度。

　　該模型被簡(jiǎn)單地嵌入Flowmaster工具相關(guān)數(shù)據(jù)庫。如今系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能通過新汽車模型預(yù)期的系列駕駛情境來進(jìn)行冷卻分析。冷卻系統(tǒng)中可加入設(shè)計(jì)變化，從而運(yùn)行執(zhí)行分析。水套模型保持完好無缺，因?yàn)樗w了所有可能的操作環(huán)境。