客户说 | 丰田（欧洲）利用GT-THAItherm进行乘员舱瞬态分析
GT-SUITE是由美国Gamma Technologies公司开发的多物理场仿真分析系列套装软件。主要应用于车辆行驶系统分析、热管理系统分析、空调系统分析、锂电池/燃料电池电化学分析、发动机仿真分析、多体动力学分析等领域。除汽车行业外，在航空航天、家电等行业也取得了良好的应用效果。在竞争激烈的工业应用领域，使用GT-SUITE系列软件可以明显地缩短设计开发周期、降低生产成本。IDAJ中国为GT-SUITE在中国的独家代理商。 1乘员舱瞬态热分析的背景 近年来，BEV和HEV发展迅速，这两种类型的车辆现存的最大问题就是空调耗能，尤其是冬季空调制热时，能耗尤为严重，会极大影响车辆的形式里程，给用户带来不便。从下图中可以看到，传统的ICE形式的车辆，在空调制热时能耗会上升40%，也就是通常说的开空调会更费油。不同于ICE车辆，新能源车辆没有“免费”的废热可以利用，因此BEV在空调制热时，能耗会上升超过120%，PHEV更夸张，会上升160%，这样的能耗会极为明显的缩减车辆的行驶里程。因此研究乘员舱的热舒适性，优化加热能耗，成为当前最重要的热分析内容。 2丰田（欧洲）的分析方法 2.1 确定模拟分析的框架下图显示了乘员舱舒适性和能耗的关系，首先需要确定的就是这个关系曲线中可接受的舒适性范围，以此为约束寻找最低能耗。下图显示了模拟分析所需的建模内容。为了达到分析目标，需要建立PT、HVAC和Cabin三个子系统，再加入控制系统和传动系统就构成了完整的车辆仿真系统。通过原型车风洞测试来进行模拟对比，丰田（欧洲）布置了40+个传感器。2.2 确定分析方法当前成员舱的热性能（舒适性）分析方法有三种，分别是：A. 使用GT-SUITE进行一维or零维模拟计算；B. 使用Fluent进行三维CFD模拟计算；C. GT-SUITE中 特有的一三维耦合模拟计算（Mapped 3D）。三种方法的分析的模拟精度B>C>A，模拟耗时B>C>A。综合考虑精度和耗时的情况下，方法C无疑是最好的选择。2.3 GT-SUITE中 特有的Mapped 3D分析方法在GT-SUITE v2020版本中，加强了Mapped 3D方法的可操作性，形成了如下图所示的完整的分析流程。第一步，用户需要准备好乘员舱的CAD数模；第二步，CFD计算；第三步，将CFD的网格分别倒入GT-SUITE和GT-THAITerm中，建立固体热边界和舱内流动边界；第四步，在GT中进行计算。和传统的一三维耦合计算不同，此方法只需要进行一次CFD计算，因此能够大大减少整个分析流程的计算时间。2.4 GT-SUITE的分析方法解析在GT-SUITE v2020版本中整个模型的准备工作只需要以下三步（前提是已有CFD计算结果）：1. 将CFD网格导入GT；2. 在GT中布置传感器；3. 通过GT进行稽核离散，得到最终的GT计算模型。整个流程的时间大约为1个小时。在GT-THAItherm中也可以直接导入CFD网格，仅需通过GT-THAItherm进行一些材料属性的设定，就可以完成固体边界的输入，非常方便。在整个流程中，CFD起到的作用有两个：1. 提供base的流体状态；2. 提供计算网格。GT-THAItherm用于建立固体边界，用于计算与舱内气体的换热。GT-SUITE用于计算舱内的流动状态，通过GT自己的网格来进行流动求解，在保持流动精度的基础上，减少计算耗时。2.5 模拟性能和试验测试的对比模型运行工况如下，整个工况时间为1800s，从模拟结果来看，前排脚部和后排头部的传感器测试点试验值和模拟值的吻合度较高。如果对比舒适度计算结果（加入假人模型）那么在高车速区域，精度有些失真，误差最大能达到5℃。对比乘员舱内温度分布map，可以看到CFD的计算结果和GT-SUITE的计算结果几乎吻合，证明GT-SUITE的Mapped 3D方法完全能够满足分析精度的要求，加上其高效的计算模式，无疑是乘员舱热分析的最好选择。如果想获得更高精度的计算结果，需要增加CFD稳态计算的map，如下所示。根据HVAC mode和Flow Rate Level标记CFD的计算结果，CFDmap工况主要受到四个参数的影响，入口状态和出口状态属于HVAC mode，空气属性和风扇工况属于Flow Rate Level，调整这四个参数计算出多张CFDmap，将这些CFDmap导入GT中即可。在这个计算过程中，GT与CFDmap进行实时的数据交换，将稳态的CFD结果映射为瞬态的GT结果，从而提高计算精度。需要注意的是，多张CFD Map本身的计算非常耗时，因此这个方法并不推荐使用。来源：艾迪捷
