前机舱热管理CFD分析规范

Q/SZJ191001-2017前机舱热管理CFD分析规范SpecificationofCFDAnalysisofUnderhoodThermalManagement20XX20XX-12-31实施20XX-11-27发布上海思致汽车工程技术有限公司发布上海思致汽车工程技术有限公司发布Q/SZXX-X-2017乘员舱制冷性能CFD分析规范范围本标准规定了术语和定义、前机舱热管理CFD分析方法及结果处理方法。本标准适用于CAE部门前机舱热管理CFD仿真分析。规范性引用文件无。术语和定义无。摘要Abstract本规范规定了用StarCCM+进行前机舱热管理CFD分析的内容。本规范适用于XX汽车公司开发的乘用车前机舱热管理CFD分析。ThisproceduredefinestheunderhoodthermalmanagementCFDanalysisusingStar-CCM+.It’sapplicablefortheXXautomotivecompanypassengercarsCFDanalysisofunderhoodthermalmanagement.流程图ProcessFlowDiagram表1流程图Fig1ProcessFlowDiagram工具描述ToolDescription仿真分析过程中需要用到的如下软件:Thefollowingsoftwarefacilitatestheanalyticalsimulationprocess:前处理(Preprocessors):Hypermesh求解器(AnalysisCode):Starccm+后处理(Postprocessors):Starccm+建模和分析过程Modeling/AnalysisProcedure单位Units分析中所用单位制如下所示:Theunitsusedintheanalysisareasfollows:力(Force) 牛顿(N)质量(Mass) 千克(Kg)长度(Length) 米(M)时间(Time) 秒(Second)几何模型建立Geometrymodeling前机舱热管理CFD分析所需的模型包括：ThemodelsneededinCFDanalysisofunderhoodthermalmanagementincludes:a) 车身外表面数据，外表面数据必须包括前保进气格栅细节数据。为方便模型清理，上车体数据推荐用CAS面或造型A面代替；Theexteriorsurfacedatamustincludesthefrontbumpergrillesdetaileddata.Fortheconvenienceofgeometrycleaning,theupperbodydatacaninsteadbytheCASsurfaceorstylingAsurface.b) 前机舱总布置数据，包括发前壁板、前壁板前方的白车身、发动机本体、发动机附件、悬置及其他机舱内所有零部件；Includingunderhoodfrontwall,theBIWaheadofthefrontwall,theenginebody,theengineaccessories,mounts,andothercomponentsintheunderhoodcompartment.c) 冷却模块数据，包括散热器、冷凝器、冷却风扇数据，以及冷却模块挡板、密封条等附件数据；Includetheradiator,condenser,coolingfan,andcoolingmoduleshield,sealingetc.d) 底盘数据，包括传动系统、制动系统、燃油系统、悬架系统等所有底盘系统数据，以及地板车体数据。Includetransmissionsystem,brakesystem,fuelsystem,suspensionsystemandotherdata,andunderfloorbodydata.外部计算域的建立Theexteriorcomputationzonesetup为模拟环境风洞试验环境，需要在车的外部建立长方体空腔，并且需要在车体底部添加单独加底部密区域，空腔尺寸及加密区域位置如图2所示。Inordertosimulatethewindtunnelenvironment,weneedtobuildcuboidshapeontheexternalofvehicle,andalsoneedtoadddensityzoneunderthebody.TheexternalshapeanddensityzoneasshownisFig.2.图2外部计算域尺寸大小图车体摆放位置及加底部加密区域大小如图2底盘加密区域大小及车辆摆放位置所示。ThevehiclebodypositionandunderbodydensityzonesasshowninFig.2.图3底盘加密区域大小及车辆摆放位置图7.3.1面网格尺寸大小Surfacemeshsize在网格总数不能增加的条件下（计算机硬件所限），为保证计算精度，需要对计算模型的网格根据不同的尺寸进行划分。表面网格根据所在区域划分。Accordingtotherestrictedelementnumbers,inordertokeepthecomputingaccuracy,weneedtomeshthedifferentpartsofgeometrymodelwithdifferentmeshsize.Thesurfacemeshshouldbemeshedaccordingtoitsposition.7.3.2网格模型选择及参数设置Meshmodelselectionandparameterssetting车体区域所选用的网格模型如下:Themeshmodelchosenforbodyasshownbelow:a) SurfaceWrapper：包面模型；b) SurfaceRemesher：网格重构模型；c) TrimmedMesher：切割体网格模型。7.3.3体网格加密区域设置Volumemeshdensityzonessetting为提高计算精度，需要在流动关键区域进行体网格加密。机舱热管理分析规定的加密区域有3个，加密区域示意图如4-6所示，具体要求表1体网格加密区域位置及大小表所示。表1体网格加密区域位置及大小表名称Name大小Size加密尺寸Densitysize(mm)UH（机舱加密区）underhooddensityzone覆盖整个机舱区域，X方向前后延长0.4mIncludingallunderhoodzones16~20CHS（底盘加密区）Chassisdensityzone覆盖整个底盘区域，X方向前后延长0.2m。Includingallchassiszones32~40MAX（全区域加密）Alldensityzone覆盖整个计算域Includingallzones400图4机舱加密区图图5底盘加密区图图6全区域加密图热交换器建模7.4.1热交换器模型处理前机舱热管理分析中，典型的热交换器包括散热器、冷凝器、中冷器。这三种热交换器的进风面及厚度获取方法，应遵循下面所述的规定。热交换的进风面（指冷侧进风面）截取，两边应延伸至扁管与侧面立柱交接的最远处；上下边则需要完全包含存在散热翅片的区域。如图7冷凝器进风面截图示意图所示，红线区域为该热交换器（冷凝器）迎风面区域。热交换器的厚度则以散热芯体区域的厚度为准。图7冷凝器进风面截图示意图7.4.2热交换器初步面网格(Importmesh)质量要求为保证热交换器的边界完整性，热交换器在STARCCM+中不允许包面。故在HYPERMESH里生成初步面网格时要求如下：a) 所有网格要求无自由边（FreedEdge）；b) 无T型连接；c) 无干涉网格；d) 网格类型全部要求为三解型。7.4.3热交换器TRIME网格参考坐标系在冷却模块进风面法线方向非X方向时，为保证流动方向与TRIM网格正交方向一致性，需要建立热交换器参考坐标系。依据热交换器前左上角为原点，建立参考坐标系。参考坐标系的X方向为热交换器的竖直方向，Y方向为热交换器的横向（保证Z方向属于交换器进风面的法线方法）。7.4.4热交换器网格模型设置热交换器所选用的网格模型为SurfaceRemesher及Trimmer两种模型。7.4.5热交换器体网格相关要求热交换器进风面法线方向要求至少生成4层网格，如少于4层，可适当调整网格设置为的网格大小。由于热交换器形状较为简单，由软件自动生成的网格质量均可满足要求。通常情况下无需进行质量检查。冷却风扇建模7.5.1风扇模型处理前机舱热管理CFD分析中，需要使用MRF模型模拟风扇旋转，故需要在风扇叶片处建立旋转区域。旋转区域的建立原则如下：旋转区域的边界与风扇之间的间距为1.5-2mm，同时保证旋转区域与风扇罩之间存在1.5-2mm以上间隙。如无法保证1.5mm间隙，需要对风扇罩进行局部的扩大处理。旋转区域与风扇叶片、护风罩之间的间距见图8风扇旋转区域示意图。图8风扇旋转区域示意图7.5.2风扇网格模型设置车体区域所选用的网格模型为SurfaceWrapper、SurfaceRemesher、TrimmerMesher和PrismLayerMesh四个模型。7.5.3风扇区域网格要求及防接触设置风扇叶片网格大小为1.5-4mm，以保证叶片边缘几何结构的完整性。风扇与旋转区域边界间距较小，为保证风扇叶片的完整性，需要建立防接触。防接触类型为“TwoGroup”，值为1mm。风扇的体网格数量范围为30万-70万。如网格数量不在此范围内，可适当调节体网格密度。风扇模型形状较为简单，由软件自动生成的网格质量均可满足要求。通常情况下无需进行质量检查。边界条件BOUNDARYCONDITION7.6.1空气侧物理模型选择发动机热管理分析中，对散热器散热量的模拟分单流体、双流体两种方法。多流体分析需要分析冷却液（冷却水）与空气的换热，因此需要建立两个物理模型，分别用于模拟水侧与气侧的流动情况。而单流体则无需水侧物理模型。7.6.2水侧物理模型选择水侧物理模型用于模拟冷却液在散热器内部流动状况。其流体介质设置为纯水。7.6.3边界条件的设置a）空气侧计算区域边界条件设置区域除了进口及出口外，其余一律设置为壁面。进口设置为VelocityInlet，其具体属性如表2进口条件VelocityInlet参数设置表所示。表2进口条件VelocityInlet参数设置表StaticTemperature40oCVelocityMagnitude设置为车速，依据计算工况而定出口统一设置为Pressureoutlet，其具体属性设置见表3出口设置PressureOutlet参数设置表：表3出口设置PressureOutlet参数设置表StaticTemperature40oCTotalPressure0Pab）壁面设置在零部件本身发热体部分设置温度边界条件。具体温度可以通过试验获得（对于全新开发车车型，可参考同等级或者竞争车型温度）。设置条件见表4温度壁面条件WALL参数设置表。表4温度壁面条件WALL参数设置表ThermalSpecificationTemperatureStaticTemperature具体温度值(单位oC)c)风扇模型设置前机舱热管理分析中，风扇的旋转利用MRF模型模拟。性能要求PERFORMANCEREQUIREMENT7.7.1散热器散热量评价计算散热器实际散热量Qr（计算方法见7.1），然后与目前工况下发动机实际散热量需求Qa对比，要求Qr≥Qa。7.7.2冷凝器性能评价统计冷凝器进风温度Tc,根据设计要求确定进风温度目标Ta，要求Tc≤Ta。7.7.3冷凝器性能评价根据中冷器热侧实际进风温度、出风温度目标及进气量求出散热量目标Qa,然后统计冷侧进风速度，根据中冷器单体性能表查到实际散热量Qi。要求Qi≥Qa。7.7.4冷凝器性能评价在计算模型中统计发动机进风温度Tin，根据项目设计要求确定进风温度目标Ta，要求Tin≤Ta。结果RESULT分析必须包括在各个运行工况下，冷却部件散热量、机舱内部流场情况、机舱内部空间环境温度。冷却部件散热量评估a) 求解表面气体平均速度；b) 根据表面气体平均速度，通过