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ANSYS CFD汽车行业解决方案

汽车的设计和开发过程

2 © 2014 ANSYS Inc.

概念概念

规格

设计设计完善完善

造型

设计参数

布置

生产生产

使用

CA

E

确定

设计空间

减少

原型

样车数目

减

少原

型样车数目

产品设计和开发产品设计和开发生产生产

物理试验

CAE仿真

汽车的设计和开发过程


产品知识

0%

50%

100%


决策自由度

概念概念设计设计完善完善准备准备

成本责任

汽车的设计和开发过程 -- 由CAE仿真驱动


概念概念

规格

设计设计完善完善

造型

设计参数

布置

生产生产

CAE

使用

CA

E

确定

设计空间

减少

原型

样车数目

减

少原

型样车数目


物理试验

CAE仿真

汽车的设计和开发过程 -- 由CAE仿真驱动


产品知识

0%

50%

100%


产品知识

决策自由度

概念概念设计设计完善完善准备准备

成本责任

ANSYS CFD在汽车行业的应用方向


• 整车空气动力学

• 除雾、除霜

• 发动机舱热管理

• 发动机冷却系统

• 燃油喷射和雾化

• 车灯和灯室

• 新能源汽车动力电池

• 气动噪声

• 空调系统

• 乘员舱热舒适性

• 各种液压系统、泵、阀等

• 发动机缸内流动及燃烧

• 刹车系统

• 涡轮增压系统

• 油箱加注及晃动

• ……

• 进、排气系统

整车空气动力学


燃油消耗率

汽车高速运行时，

克服气动阻力所需

的燃油消耗占主导冷却气流和阻力的权衡

冷却气流和阻力的权衡


如何最小化附着？

泥、水附着

车辆涉水

如何防止水飞溅到风挡或侧窗玻璃上？




自动化、大规模、高质量的网格工具

DES DDES

高精度的湍流模型

Model Exp. DDES DES LES

Drag (SCx) 0.70 0.71 0.75 0.69

接近线性的并行加速比

支持超过一万核的并行



Adjoint Solver（伴随求解器）是Fluent中的一个专用工具，它扩展了传统流体求解器的分析范畴，能够提供一个流体系统详细的性能敏感性数据。它可以用来计算一个工程数据相对于所有系统输入的导数。这些导数/敏感性可以用来：

提供极有价值的工程角度的深入了解优化系统性能发现流体中由于离散误差而潜在地带来强烈影响的区域形状敏感性带来几何优化的能力

Adjoint Solver的求解结果得到后，即可基于简单的梯度算法，对系统进行智能的设计改进，从而实现设计优化。


j

i

c

q

运行Fluent CFD求解器

运行 Adjoint solver

Adjoint后处理

局部优化

优化设计

x0 x1 x2

x3

x4 x5

全局最优局部

最优

整车空气动力学不使用网格变形的优化过程不使用网格变形的优化过程

网格划分

计算求解

CAD设计更改

如果设计点很多非常耗时！如果设计点很多非常耗时！




使用网格变形的优化过程使用网格变形的优化过程

网格划分

计算求解

清理几何，划分网格，只需进行一次

清理几何，划分网格，只需进行一次

如果设计点很多，网格变形仅需很短的时间

如果设计点很多，网格变形仅需很短的时间

气动噪声噪声源：由流动造成的瞬态压力脉动声音：压力波在介质中的传播


Sound 流动

噪声传播介质接收位置

噪声源

气动噪声 Computational Aeroacoustics(CAA)

• CAA方法通过求解流体动力学方程直接得到声波的产生和传播现象。 • CAA方法需要ANSYS Fluent通过求解非稳态N-S方程（如DNS）、非稳态雷诺平均

RANS方程以及在分离涡DES和大涡LES模拟中用到的滤波方程，精确模拟粘性效应和湍流效应。


Sound Source

Receiver

p’(t) Propagation

Computational Domain

气动噪声 Segregated Source-Propagation Methods (SSPM)

• 对于中场和远场噪声模拟，ANSYS Fluent采用基于Lighthill的“噪声比拟”方法，作为CAA方法的补充是ANSYS Fluent中计算代价较小的方法之一。“噪声比拟”方法不同于CAA方法，它把波动方程和流动方程解耦，在近场流动解析采用适当的控制方程比如非定常雷诺平均、DES分离涡或LES大涡模拟等方法，然后再把求解结果作为噪声源，通过求解波动方程得到解析解，这样就把流动求解过程从声学分析中分离出来。


Source

Receiver

p’(t)

CFD Domain

Sound Propagation

(1)

计算源

(2)

计算传播

(3)

后处理声音信号(FFT)

气动噪声 Broadband Noise Source Models

• 在ANSYS Fluent的宽频噪声模型中，湍流参数通过RANS方程求出，再用一定的半经验修正模型（如Proudman方程模型、边界层噪声源模型、线性Euler方程源项模型、Lilley方程源项模型）计算表面单元或体积单元的噪声功率。

• Broadband模型是CAA和“声比拟”方法的很好补充，可以采用宽频噪声模型提取有用的诊断信息来快速确定流动中的哪一部分对噪声影响最大。然而，这些源项模型不能预测接收位置的准确噪声量级。

• Broadband模型不需要瞬态流动解，所有的源项模型只需要典型的RANS方程解，比如实际速度场、湍动能和湍流耗散率。因此宽频噪声模型需要最小的计算代价。


气动噪声三种气动噪声模拟方法在不同设计阶段的应用


手工经验计算宽频噪声模型详细的CAA/SSPM分

析以及试验

设计空间最终设计

精度和花费增加

气动噪声


侧后视镜

门缝

排水槽

雨刷

天窗

发动机舱热管理

发动机舱热管理仿真非常重要 • 高效的发动机性能，更好的燃油经济性 • 排放控制 • 冷却模组的空间布置需求 • 温度敏感零部件的合理布置（电池、电子元

器件、塑料件等）


控制热场和流场

Courtesy: General Motors



Wrapper Template模板

Geometry Size Assignment Heat Exchanger

Fans Enclosure

Geometry Size Assignment Heat Exchanger Fans Enclosure Closing Holes Wrapper Regions Mesh solid Post Wrap Volume Mesh

Closing Holes



快速和稳健的前处理

总时间：25分钟

自动化地表面包裹



快速和稳健的前处理

初始的STL数据

发动机舱区域优异的体网格质量

完全自动化、一键点击的表面包裹

从CAD到高质量的体网格仅需不到2天时间



风扇、热交换器、壳导热模型 CAC

Coolant IN

Coolant OUT

29 Macros

52 Macros

Air OUT

风扇模型

薄壁上的壳导热热交换器模型



精确的高级求解器及并行可扩展性

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

10000 11000 12000

0 2 4 8 Vie

wfa

cto

r C

om

pu

tati

on

Tim

e

No. of processors

超过上万核，

接近线性的

并行加速比

Δ ± 0.33 %

精确的湍流流动结构

无缝多物理场耦合

辐射角系数

HVAC – 空调系统

• 前端气流分析（压降、雨水管理）

• 鼓风机性能

• HVAC模块（温度分层、线性度）

• 管路（压降）

• 暖风（方向性）

• 热交换器（蒸发器、冷凝器）

• 压缩机流动

• ……


HVAC – 风挡除霜

• 除去风挡玻璃上的结霜

• 使用ANSYS CFD的标准功能即可完成除霜的仿真分析

• 仿真方法 • 能量方程 Energy equation

• 湍流模型 Turbulence models

• 凝固/融化模型 Solidification / Melting model

• 初始霜层是给定厚度的流体区域

• 使用稳态仿真得到客舱内的流场

• 焓-多孔介质方法（Enthalpy-Porosity）用来仿真霜层融化过程

• 融化进程通过液相分数的变量来表示

• 使用瞬态仿真计算温度和液相分数的变化


HVAC – 风挡除霜


总仿真时间：20 分钟时间步长：2.5秒同试验结果吻合良好

Courtesy Visteon Automotive Systems - Germany

HVAC – 风挡除雾

• 除去风挡玻璃上的结雾

• 风挡玻璃上的水蒸发和冷凝

• 仿真方法： • 干空气和水蒸气的组分输运

• 稳态的客舱内部流场

• 能量方程

• 湍流模型

• 瞬态求解温度、组分浓度分布和雾层厚度

• 质量传输率作为当地水蒸气浓度、温度和分压的函数来估算


HVAC – 风挡除雾

• Defogging FLUENT Module(DFM) 除雾分析模块 • 专业定制的UDF

• 具有GUI设定界面

• 理论手册、教程、案例等


Courtesy:

Mindware Engineering

HVAC – 乘员热舒适性


• 太阳辐射模型 • 计算太阳光线照射到计算域内的辐射效果

• 基于追踪法的太阳光线追踪

• 和DO、S2S辐射模型合用，加入太阳负荷

• 太阳辐射求解器 • 输入经纬度、时区、模型朝向、日期和时间

Solar Calculator

太阳热负荷 (w/m2)

HVAC – 乘员热舒适性


• 评价热舒适性的标准参数 • PMV，预测平均投票数

• PPD，预测不满意百分数

• MAA，平均空气龄

• FLUENT热舒适性模块提供热舒适参数的输入

• 后台自动加载执行UDF

FLUENT热舒适性模块输入面板

动力总成


Courtesy: BMW AG

概念建模到详细分析

动力总成


油箱加注

齿轮泵

燃油泵气蚀

分离器

专业的IC Engine分析系统

• 自动几何分解及网格生成


可扫略

气道部分

燃烧室


• 求解参数及动网格自动设定



• 计算报告自动生成



• 喷雾及燃烧计算


710° 720°

排气后处理


碳罐中的流场和丁烷浓度分布

载体截面上的流场分布显示出了催化剂的利用率

SCR（选择性催化还原）系统中的混合和蒸发

柴油机颗粒过滤器中的碳烟负荷、分布以及压降

快速起燃仿真中的温度升高

涡轮增压系统


设计点失速状况可压缩流

表面温度

传热系数

应力仿真

热仿真

刹车系统


• 优化刹车通风

车灯和灯室


• 精确的传热计算

• 精确的辐射模型

• 冷凝分析、除雾分析灯室内的冷凝结露

灯室内的流场和温度场灯室内的温度场

动力电池


小尺度

大尺度

分子级别

化学

单体级别

电模型

生热

热冲击

挤压

模组/封包级别

热管理

NVH

EMI/EMC

动力总成和整车级别

系统集成

电极级别

制造材料选择

电化学

某一级别的现象也会影响其它的级别，需要进行联合仿真


动力电池 Newman’s 1D Electrochemistry Model

Cell Thermal Model with Electrochemistry

Battery model incorporated into powertrain system with traction motor controls

单体级别

分子级别模组/封包级别

系统级别

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