ANSYS CFD在汽车行业的解决方案.pdf
ANSYS CFD在汽车行业的 解决方案 安世亚太科技股份有限公司 解决方案 安世亚太科技股份有限公司 2013/2/272013/2/27 主要内容 汽车行业面临的流体方面关键问题 汽车行业的流体技术需求概述 子行业解决方案阐述 子行业解决方案阐述 气动解决方案 发动机舱热管理解决方案发动机舱热管理解决方案 除霜除雾解决方案 乘员舒适性解决方案 动力总成解决方案 其他相关案例 总结 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 2 汽车行业面临的流体方面关键问题 汽车领域中的流体问题 整车外部空气动力学 发动机进、排气系统 气动噪声 空调系统及成员舱热舒适性发动机进、排气系统 发动机气缸内流动及燃烧 空调系统及成员舱热舒适性 除雾及除霜 发动机冷却系统分析 发动机燃油喷射分析 水泵，燃油泵 各种液压系统流动 发动机舱热管理 车身底部热管理 刹车系统空气冷却 涡轮增压系统车身底部热管理涡轮增压系统 汽车电子设备热管理 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 3 应用方向 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 4 Courtesy: BMW AG Ref: The BMW Vision and Strategy in Engine CFD Simulation. EASC 2009, Munich. 汽车行业的流体技术需求概述 要解决上述问题，需要ANSYSCFD提供相应的技术： 高质量网格划分模块 几何及网格自动/快速生成及快速调整 高级网格技术 高级湍流模型 气动力 噪声 流固耦合技术流固耦合技术 热辐射,自然对流,共轭传热 太阳辐射 换热器模型 燃烧及化学反应 液体喷雾 UDF 动网格动网格 优化 二次开发 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 5 汽车行业的流体技术需求介绍 高质量网格划分模块介绍（Features） Tgrid Wrapper Cartesian Grid © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 6 ICEM CFD Hexa 汽车行业的流体技术需求介绍 发动机舱专用模板 此模板针对发动机舱的几何特点，在进行包面处理上更节约了时间，从小的几何部件此模板针对发动机舱的几何特点，在进行包面处理上更节约了时间，从小的几何部件 到完整的发动机舱都可使用 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 7 汽车行业的流体技术需求介绍 适用汽车工业的湍流模型介绍（Features） FLUENT 的湍流模型直处于商业 CFD 软件的前沿它提供的丰富的湍FLUENT的湍流模型一直处于商业 CFD软件的前沿，它提供的丰富的湍 流模型中有经常使用到的湍流模型、针对强旋流和各相异性流的雷诺应力模型 等，随着计算机能力的显著提高，FLUENT已经将大涡模拟（LES）纳入其标（） 准模块，并且开发了更加高效的分离涡模型（DES），FLUENT提供的壁面函 数和加强壁面处理的方法可以很好地处理壁面附近的流动问题。 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 8 汽车行业的流体技术需求介绍 多相流和燃烧模型 t = 1.05 sect = 2.05 sec 多相流模型 模拟颗粒流 DiscretePhaseModel（DPM）模型 Eulerian多相流模型（ Eulerian-Eulerian和Eulerian-Granular） Mixture模型（包含Cavitation子模型）Mixture模型（包含Cavitation子模型） 分层剪切流的自由液面 VOF模型 燃烧模型 气相燃烧模型 Fuel Tank With Baffles 气相燃烧模型 有限速率模型 PDF模型 层流小火焰模型层流小火焰模 预混燃烧模型 分散相燃烧模型 液体燃料燃烧、喷射燃烧、固体颗粒燃烧等 污染模型 NOx模拟 烟尘模型（SootModel） © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 9 汽车行业的流体技术需求介绍 传热、相变、辐射模型技术介绍（Features） 许多流体流动伴随传热现象，FLUENT提供一系列应用广泛的对流、热传导及辐射模型。对于热辐射， P1和 Rossland 模型适用于介质光学厚度较大的环境，基于角系数的 surfacetosurface模型适用于介质 不参与辐射的情况DO 模型（Discrete ordinates）适用于包括玻璃的任何介质DTRM 模型（Discrete不参与辐射的情况，DO模型（Discreteordinates）适用于包括玻璃的任何介质。DTRM模型（Discrete raytracingmodule）也同样适用。太阳辐射模型使用光线追踪算法，包含了一个光照计算器，它允许光 照和阴影面积的可视化，这使得气候控制的模拟更加有意义。 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 10 汽车行业的流体技术需求介绍 动网格技术（Features） 内燃机、阀门、弹体投放和火箭发射都是包含有运动部件的例子，FLUENT提供的动网格模型 满足这些具有挑战性的应用需求。它提供几种网格重构方案，根据需要用于同一模型中的不同运动 部件仅需要定义初始网格和边界运动动网格与 FLUENT提供的其他模型如雾化模型燃烧模型部件，仅需要定义初始网格和边界运动。动网格与 FLUENT提供的其他模型如雾化模型、燃烧模型、 多相流模型、自由表面预测模型和可压缩流模型相兼容。搅拌槽，泵、涡轮机械中的周期性运动可 以使用 FLUENT中的动网格模型（movingmesh）进行模拟，滑移网格和多参考坐标系模型被证 实非常可靠，并和其他相关模型如 LES模型、化学反应模型和多相流等有很好的兼容性。 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 11 汽车行业的流体技术需求介绍 动网格技术基础 Spring AnalogyLayeringLocal Remeshing © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 12 pggyygg 汽车行业的流体技术需求介绍 动网格技术在发动机中的具体应用 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 13 子行业解决方案阐述-气动 气动计算 1）遇到的挑战：高质量的网格反映复杂的几何模型 何结构复杂多变计算精度要求较高2）原因：几何结构复杂多变，计算精度要求较高 3）我们技术的优势：（Advantages）丰富的网格生成方法及工具、值 得信赖的物理模型和计算精度得信赖的物理模型和计算精度 4）对客户的好处：（Benefits）高效快速 灵活 精确 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 14 气动性能仿真 Automated / Very Good Quality Mhi Accurate Turbulence Modeling 285 shell conduction zones Shell DeletionFLUENT12.0FLUENT13.0 Shell CreationFLUENT6.3FLUENT12.0FLUENT13.0 (64 nodes)14330 s1930 s 390 s Parallel (16 nodes)600 s7 s Parallel (32 nodes)407 s6 s Shell Conduction Shell Conduction © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 40 Conduction OFF Conduction ON 辐射模型 DiscreteOrdinatesRadiation M d l (DOM)Model(DOM) 简单易用 直接求解辐射输运方程直接求解辐射输运方程 可以通过增加离散角提高计算精 度 可能较消耗CPU内存等计算资源可能较消耗CPU、内存等计算资源 View-FactorBasedRadiation Models Viewfactor Computations Models 快速，更精确，更少的计算资源 需要预先计算角系数 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 10500 11000 11500 12000 utation Time 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 wfactor Comp © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 41 0 500 1000 0248 Vie No. of processors 富士重工 富士重工 Simulation of the Underhood Thermal Environment Using FLUENTSimulation of the Underhood Thermal Environment Using FLUENT Takumi Hasegawa and Toru Komoriya FujiHeavyIndustriesLtd., Japan © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 42 UTM Case Study : Example #2 捷豹Jaguar yp © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 43 Images courtesy MIRA Ltd 子行业解决方案阐述-除霜除雾 除霜除雾分析计算除霜除雾分析计算除霜除雾分析计算除霜除雾分析计算 1）遇到的挑战：除霜除雾性能作为国家标准中强制检测的一项指标，在 GB11555-2009中，对汽车风窗玻璃除霜除雾系统性能有明确的规定要求GB11555-2009中，对汽车风窗玻璃除霜除雾系统性能有明确的规定。要求 在一定时间内，必须清除覆盖在前风窗玻璃的某些区域内、外表面上的雾或 霜，使其恢复清晰视野。 2）原因装置的工作原理是空气通过汽车空调升温后经除霜风道在前风2）原因：装置的工作原理是空气通过汽车空调升温后经除霜风道在前风 窗玻璃内侧形成喷射气流，使内表面的雾滴挥发，并通过前风窗玻璃传热 融化前风窗外表面的霜。 3）我们技术的优势：（Advantages）丰富的网格生成方法及工具，丰富的 物理模型，除霜、除雾面板，值得信赖的计算精度。 4）对客户的好处：（Benefits）高效快速 灵活 精确 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 44 伟世通除霜分析 融化模型 标准GUI标准GUI 第5、10、15和20分钟的除霜计算结果 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 45 第5、 0、 5和 0分钟的除霜计算结果 Skoda除霜分析 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 46 Courtesy Skoda Auto Mindware除雾分析 除雾模板(DFM) 定制(UDF)定制(UDF) 有界面GUI 手册 教程 例子 乘员舱内雾气分析（20秒） © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 47 子行业解决方案阐述-乘员舒适性分析 乘员舒适性分析计算乘员舒适性分析计算乘员舒适性分析计算乘员舒适性分析计算 1）遇到的挑战：热舒适性是指人体对热环境表示满意的心理状态。热环境 主要包括空气温度相对湿度风速和热辐射四个因素除了上述四种物理主要包括空气温度、相对湿度、风速和热辐射四个因素。除了上述四种物理 因素外，还要加入人体代谢量和着衣量，一般把六种因素称为热环境六因 素。 2）原因：热舒适性是指人体对热环境表示满意的心理状态。人体所处的 热环境是决定人的作业效能和健康的重要影响因素。舱内空气流场、太阳 辐射模型、Surface to Surface辐射模型、灰体辐射和视觉系数模型、热 舒适性评估模式均是需要考虑的因素。 3）我们技术的优势：（Advantages）丰富的网格生成方法及工具，丰富的 物理模型，值得信赖的计算精度 4）对客户的好处：（Benefits）高效快速 灵活 精确 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 48 太阳辐射及乘员热舒适性分析 Solar Heat Flux (w/m2) © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 49 评价参数:人体舒适度PMV、PPD，新风空气龄 Delphi Optimize HVAC System 法拉利乘员舒适性分析 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 50 法拉利乘员舒适性分析 车用空调风洞试验实验设备参数 车用空调风洞试验实验工况确定 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 51 法拉利乘员舒适性分析 暖风工况： 温度分布 速度分布速度分布 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 52 模拟与实验对比 法拉利乘员舒适性分析 冷风工况： 温度分布 速度分布 模拟与实验对比 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 53 模拟与实验对比 子行业解决方案阐述-动力总成 动力总成分析计算动力总成分析计算 1）遇到的挑战：物理条件复杂，流动剧烈， 热环境复杂，瞬态计算 2）原因：动力总成中零部件众多，重要零部件特征尺度变化剧烈，管 路复杂多变。对于CFD分析而言，这样的几何结构对几和简化环节有非 常高的要求发动机工作工程中存在复杂的化学反应燃烧热交换等常高的要求。发动机工作工程中存在复杂的化学反应，燃烧，热交换等 物理现象 3）我们技术的优势：（Advantages）丰富的网格生成方法及工具丰富3）我们技术的优势：（Advantages）丰富的网格生成方法及工具，丰富 的物理模型，值得信赖的计算精度 4）对客户的好处：（Benefits）高效快速 灵活 精确）对客户的好处：（）高效快速 灵活 精确 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 54 ICEngine系统 R14更新:ICEngine分析系统 为内燃机分析提供了统为内燃机分析提供了统一 的、简化的设定方法。 基于用户输入控制模拟基于用户输入控制模拟 几何分解 网格划分网格划分 动网格设定 报告生成 参数化更新 普遍使用曲轴转角 是否包含journal文件的选项 自动的燃烧和喷雾设定 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 55 Evernham Motorsports进气优化分析 Workbench参数化建模 气门升程参数化气门升程参数化 不同气门升程下的进气体积流量结果 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 56 不同进气压比下的质量流量结果 Evernham Motorsports进气优化分析 优化分析 以最大有效流通面积以最大有效流通面积 （EffectiveFlowArea (EFA）为目标的优化结果 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 57 汽车发动机研发应用 (ex-valve 5 point) (angle 0 180 270 360 720) (lift 0 05 0 05 1 8 0 05 0 05) ANSYS FLUENT 运动网格技术 In-Cylinder Parameters pistonmovementdefinition（Panel） Definethemotionofthevalves （profile（升程与转 角） (lift 0.05 0.05 1.8 0.05 0.05) (in-valve 5 point) (angle 0 355 440 540 720) (lift 0.05 0.05 2.0 0.05 0.05) Intake and Exhaust Valve Lift (m) as a Function of Crank Angle ()g (deg) © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 58 汽车发动机研发应用 Validation case 1- SI Engine Fltiithi thbtihbi blt © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 59 Flame propagation within the combustion chamber progress variable contours at 710 0CA, 720 0CA, 730 0CA, 750 0CA 汽车发动机研发应用 Validation case 1- SI Engine Flii hihbihb © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 60 Flame propagation within the combustion chamber temperature contours at 710 0CA, 720 0CA, 730 0CA, 750 0CA 高级物理模型 Wall-film modeling Accurate spray models Paper Reference: SAE 2006-01-0241 Turbulence modeling and accurate T rb lence Chemistr interactionTurbulence-Chemistry interaction © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 61 Reacting Flow models for variety of scenariosFast chemistry solvers 排气后处理分析 Temperature rise in therise in the substrate: Lightoff Simulation Flow distribution in a slice Simulation Flow distribution in a slice through the substrate shows catalyst utilization Soot Loading, distribution and pressure drop across Diesel particulate Filters Mixing and Evaporation in Selective Catalytic Reduction System © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 62 Flow distribution and butane concentration in carbon canister Reduction System 子行业解决方案阐述-其它 其它相关案例其它相关案例 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 63 加油管路设计 汽油加注过程发生挥发 气相包含:Air/FuelVapor混 合物 ANSYS Fluent VOF模型(气相是混合物) 湍流模型 RNG 通过修改再循环管路汽油挥发 量减少半量减少一半 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 64 Modified DesignOriginal Design Courtesy of Mark IV 空气滤清器入口管路分析空气滤清器入管路分析 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 65 油箱晃动分析油箱晃动分析 带有隔板的油箱，油量1/4满 水平方向施加9 81/ 2加速度持续1秒 水平方向施加9.81m/s2加速度，持续1秒 瞬态计算，时间步长2.5ms © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 66 动力总成分析 Courtesy: Cummins Piston Cooling Simulation Fuel Injector Cavitation Modeling Courtesy: Robert Bosch © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 67 Gerotor Pump Noise generated in throttle body Courtesy: Robert Bosch 动力总成分析 Fuel Filling Separator © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 68 Gear Pump Cavitating Fuel Pump 涡轮增压分析 Design pointStall conditions Compressor Flow gp Surface Temperature Heat transfer coefficient Stress SimulationSimulation Thermal © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 69 Simulation 传动系统分析 f Oil flow around a rotating gear 3D relative streamlines of un- shrouded bevel gear © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 70 液力变矩器分析 Exploded-view of a Torque Converter Contours of static pressure on turbine and pump surfaces of a torque converter Comparison of predicted and test data for K-Factor and Efficiency Vs Speed R tiRatio © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 71 Courtesy of Daimler Chrysler 柴油机缸盖冷却分析 基于瞬态燃烧分析结果时均热流profile ANSYS CFD 共轭传热分析 稳态缸盖共轭传热分析柴油机瞬态燃烧分析 Diesel engine combustion simulations to perform Courtesy of Mercury Marine © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 72 engine cooling analysis 法雷奥散热器设计平台 法雷奥 Using CFD for Heat Exchanger Development and ThermalUsing CFD for Heat Exchanger Development and Thermal Management Nicolas Francois Valeo EngineCoolingLaVerrière,France © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 73 法雷奥散热器设计平台 功能:优化设计 优化参数优化参数 几何参数(6个) 性能 散率功率 阻力 重量性能:散率功率,阻力,重量 优化目标函数F=- a1P/A1+a2dP/A2+a3M/A3 使用关键journal文件和scheme 语言，自动化j 特色：参数化 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 74 制动系统 乘用车刹车冷却气流 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 75 制动系统 Fig 5.30 Average displacement in 24mm Stainless Steel Disk Fig 5.23 Distribution of Von misses Stress in 24 mm Stainless Steel Disk Stainless Steel Disk Fig 5.29 Average displacement in 24mm Cast Iron Disk Fig 5.21 Distribution of Von misses Stress in 24 mm Cast iron Disk几何模型：刹车盘外经0.2m，厚度0.012m、 车速：60 mile/h，刹车时间：3.6s。 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 76 车用动力电池仿真 ale cale Small Sca Large Sc Molecular Level Cell LevelPack LevelPowertrain and Vehicle Level Electrode Level S L evel ChemistryElectrical Model Heat Generation Ab Thermal Mgmt NVH EMI/EMC System Integration evel Manufacture Material ltiAbuse Crush EMI/EMCselection Electrochem. Phenomena at one level affect those at other levels and d t b il t d i ilt il ti © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 77 need to be simulated in simultaneous co-simulation 车用动力电池仿真 Newmans 1D Electrochemistry Model Pack Level Molecular Level Pack Level Cell Thermal Model with Electrochemistry Battery model incorporated into powertrain system with traction motor controls Cell System Level Cell Level System Level © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 78 FLUENT Battery Model © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 79 圆柱形棱柱形圆柱形棱柱形 FLUENT Battery Model © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 80 电池组散热分析 Figure 14 Temperature Contours for #4 (30,15,0,0) © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 81 流固耦合分析FSI Wind Tunnel SimulationWind Tunnel Simulation CFD ResultsCFD Results Velocity, Temperature, Velocity, Temperature, Pressure DistributionsPressure Distributions Results onResults on Exhaust SubExhaust Sub- -SystemSystem CFD MeshCFD Mesh (All TRIA)(All TRIA) Pressure DistributionsPressure Distributions FEA MeshFEA Mesh (Quad Dominant)(Quad Dominant) FEA ResultsFEA Results Displacement, Displacement, Stress ContoursStress Contours MappingMapping Temperature, Pressure Temperature, Pressure Values Mapped fromValues Mapped from FEAFEA- -Thermal Stress Thermal Stress AnalysisAnalysis (Ansys/Nastran/Abaqus)(Ansys/Nastran/Abaqus)Stress ContoursStress ContoursValues Mapped from Values Mapped from CFDCFDFEA MeshesFEA Meshes (Ansys/Nastran/Abaqus)(Ansys/Nastran/Abaqus) © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 82 总结 ANSYS FLUENT软件在汽车行业的主要应用方向软件在汽车行业的主要应用方向 1 气动设计1.气动设计 降低风阻系数、降低燃油消耗、降低噪声 2 发动机舱热管理2.发动机舱热管理 合理布置发动机舱内的部件、提高冷却系的冷却效率 3 除霜除雾分析3.除霜除雾分析 改进HVAC系统性能、满足除霜除雾国标要求 乘员舒适性分析4.乘员舒适性分析 满足相关的乘员舒适性评价指标 5.动力总成设计 降低进排气阻力、优化进排气系统性能 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 83 6.其它应用方向 总结 ANSYS FLUENT软件的优势软件的优势 1 参数化建模1.参数化建模 实现优化计算分析的基础，减少人工的重复工作 2 强大的网格功能2.强大的网格功能 易于为复杂几何生成体网格，强大的动网格功能用于分析复杂的瞬态物理现象 3 丰富的专用模块3.丰富的专用模块 发动机舱Wrapper Template模板，提升了发动机舱热管理分析的工作效率，大大 减少了人工成本减少了人工成本 4.值得信赖的计算精度 众多的同行业成功案例和验证算例充分验证了软件的计算精度 众多的同行业成功案例和验证算例，充分验证了软件的计算精度 5.强大的二次开发能力 © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 84 定制用户自己的分析流程，极大地提高了工作效率，缩短新产品的研发和上市周期 hkThank you www.peraglobal.comwww.peraglobal.com © 2013 Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 85
