車輛熱舒适性挑戰

由于氣候變化以及由此産生的節能目标，評估各種車輛的熱舒适性的需求不斷增加。特别是評估城市公交車的熱舒适性。車輛的電氣化也推動了節能的需求。在這些車輛中，加熱不再是“免費”的，就像内燃動力車輛一樣，從電池中冷卻能量，從而影響車輛續航裏程。

因此，在運輸行業，OEM和供應商面臨着在設計周期的早期處理熱舒适性的挑戰，以快速做出最佳決策，從而避免低效的後期叠代。在早期設計中引入熱舒适性評估應該能夠快速、輕松地給出正确的趨勢，而不是因爲所有系統組件都沒有最終确定而涉及太多細節。應針對各種配置和現實條件，即瞬态場景，對其進行邏輯評估。

爲了應對這一挑戰，我們經常使用系統模拟，但是由于氣流的3D性質，使得模拟無法提供足夠的保真度。而使用全三維CFD方法進行計算的經典替代方案也不是最佳的，因爲CAD需要完全可用，并且可以處理的配置數量也是有限。

Simcenter Amesim嵌入式CFD 概述

考慮到上述挑戰，Simcenter Amesim的嵌入式CFD方法實際上是将系統模拟方法與Simcenter STAR-CCM+3D CFD方法相結合的一個很好的折衷方案。該工具被描述爲1D和3D CFD模拟環境之間的混合工具，受益于這兩種技術。它提供了3D分辨率的保真度以及接近1D的模拟時間。

Simcenter Amesim嵌入式CFD爲座艙舒适性提供了更多可能性。它可以處理任何類型的機艙，從2座汽車到整個商用飛機。可以定義自己的幾何圖形、空氣區域的數量、通風口的位置、材料的類型等等。

城市公交車艙室溫度預測 

（考慮車門打開和關閉）

這裏将通過多區域建模方法評估城市公交車熱舒适性的具體場景來說明Simcenter Amesim嵌入式CFD的使用。我們在第一階段模拟整個巴士冷卻，然後是連續兩次巴士停靠，在此期間，前門和中門都打開。

Simcenter Amesim模型

下圖顯示了包含座艙組件的HEAT庫。默認情況下，該部件有3個外部端口，用于在左側連接空氣質量流量、溫度、壓力和濕度方面的通風口邊界條件，在右側連接車輛速度和環境空氣溫度。

Simcenter Amesim客艙熱模型，帶連接通風口

構建三維幾何體

爲了從上述Simcenter Amesim模型構建3D幾何結構，從客艙組件啓動Simcenter Amesim嵌入式CFD應用程序。逐步的GUI可以引導完成1D-3D耦合模拟。

Simcenter Amesim嵌入式CFD幾何步驟

三維幾何體是用XYZ坐标和基本塊（如長方體、圓柱體、三維多邊形等）的尺寸構建的。其單元可以有三種類型：

• 流體：創建感興趣的流體環境

• 實體：創建将作爲與空氣交換熱量的實體處理的對象

• 障礙物：從流體域中清除的材料

可以使用切割平面将全局體積劃分爲感興趣的空氣區域。對于巴士模型，總共定義了16個空氣區域，如下所示。

巴士車廂分爲16個空氣區

爲了幫助構建幾何體，可以關聯一個動态三維查看器。幾何圖形完成後，可以觸發Simcenter STAR-CCM+模型。

定義邊界條件并對三維模型進行網格劃分    

在第二步中，可以執行以下幾個操作：

• 重命名幾何圖形中的圖元（體積和面）

• 将邊界條件關聯到面

• Simcenter Amesim和Simcenter STAR-CCM+之間要交換的關聯變量，隻需使用拖放即可

• 定義平均網格大小并允許處理重力

  
  

  Simcenter Amesim嵌入式CFD步驟

模拟瞬态場景

在運行模型之前，在“3D模型到1D草圖”步驟中自動生成機艙的1D結構。在該步驟開始時，可能需要重新定義連接到艙室的MUX元件的尺寸。完成之後，就可以定義并啓動運行，然後可以訪問後處理的3D結果，如下圖所示。

Simcenter Amesim嵌入式CFD 3D運行步驟結果

當然，也可以在Simcenter Amesim中查看瞬态結果；下圖顯示了冷卻期間16個空氣區溫度的演變。 

Simcenter Amesim嵌入式CFD瞬态冷卻溫度結果

我們清楚地看到了600秒後公交車兩次停車開門，每次開門約30秒過程的溫度變化影響。

現在讓我們詳細了解：

• 如何将Simcenter Amesim和Simcenter STAR-CCM結合起來+

• 如何模拟開門

1D/3D耦合過程細節    

作爲前面顯示的嵌入式CFD工作流程的一部分，可以自動生成Simcenter Amesim和Simcenter STAR-CCM+之間的信息交換，如下所示。可以添加具有導入/導出功能的自定義交換。 

在Simcenter Amesim瞬态期間，可以定義的事件觸發這些交換，如下所示。 

在這裏，Simcenter STAR-CCM+運行是作爲穩态計算執行的。事件與“停止”組件關聯，可以是基于時間的，也可以是基于任何系統變量更改的。

在巴士的示例中，有2個觸發器：

• 基于時間的觸發，間隔不斷增加，以便在冷卻開始時更準确

• 一個與公交車速度相關的觸發器，用于處理車門的打開和關閉

下圖是觸發器的說明：

3D調用序列示意圖

開門過程模拟    

在公交車示例的場景中，将環境溫度設置爲35攝氏度。當車門在公交車站期間打開時，在車門處施加一個根據空氣密度差計算的質量流量。爲此，需要從門旁邊的空氣區域獲取空氣溫度和濕度，如下所示。

開門和關門順序的執行  

所用的解析模型由Pham和Oliver定義： 

[參考] Q.T. Pham, D.W. Oliver, Infiltration of air into cold stores, in: Proceedings of 16th International Congress of Refrigeration, vol. 4, 1983, pp. 67–72.

質量流量分布如下： 

車門打開時的外部空氣質量流量入口

總結

車門的打開/關閉在這裏被認爲是瞬時的，當然可以調整得更爲現實。由此案例我們已經證明，Simcenter Amesim嵌入式CFD是通過多區域建模方法評估城市公交車熱舒适性的正确工具，尤其是在決策至關重要的早期設計階段。