案例分享 | 基于COOL3D考虑非均匀进风对换热器的影响

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背景

相对于传统车，电动汽车的动力舱的进气格栅更小，且更偏向底部。故动力舱中各换热器的换热器性能将受到这种非均匀的进气影响。通过COOL3D可以快速分析进气不均匀性对热管理系统的换热器性能的影响。另外，用户也可以直接将3D CFD的风侧计算结果映射到COOL3D中，进行系统分析。本次分析设置几组不同的进风边界，来评估对换热器性能的影响。

图1 动力舱仿真解决方案

COOL3D仿真模型

COOL3D 是一款专注于前舱与乘员舱热管理的 3D 建模工具，能精准构建流动系统三维模型，并凭借特有的离散化逻辑，将其转换为与 GT-SUITE 兼容的模型文件。其核心优势在于可在三维环境中完整搭建包含格栅、风扇、热源及热交换器等元素的流动系统，为热管理仿真提供高精度模型支撑。

借助 COOL3D 构建的动力舱模型，可按需灵活创建流量与压力边界：压力给定既可以是稳态边界（如恒定风速、风温），也能导入入口截面的风速及风温分布云图（例如从 CFD 输出的速度场、温度场数据），以此精准分析非均匀进风边界对换热效果的影响，为热管理优化提供更贴合实际的仿真依据。

图2 COOL3D模型

在 COOL3D 中，用户可精准筛选需关注的结果信息。例如，选中冷凝器部件后，在 “Plots” 选项页勾选表面温度、流速等参数，即可定向获取相关数据。完成边界条件设置及结果输出配置后，点击export按钮生成.gtsub 文件，该文件可直接供 GT-ISE 调用，为后续仿真分析提供便捷的数据接口与模型支撑。

图3 COOL3D模型图表设置

在 GT-ISE 中，可通过 SubAssemblyExternal 部件调用 COOL3D 模型并开展仿真计算。调用后运行仿真，即可得到如示意图所示的计算结果界面，直观呈现仿真分析数据。

图4 计算结果界面

边界设置

本次仿真以冷凝器为例进行分析。首先，对冷凝器换热性能进行评估，可以看出制冷剂在对应状态下的换热性能。图5和图6分别是冷凝器换热系数和干度随进出口的变化曲线。可以看出冷凝器从过热状态冷凝进入到过冷状态，在干度0.7时换热系数达到最大值，随后降低到过冷区间，换热再次升高。注，横坐标0和1分别表示制冷剂在换热器的入口和出口。

图5 冷凝器换热系数

图6 冷凝器干度信息

设置分层风温，下图风温从上到下风温逐层升高，分别为35℃，38℃，40℃，42℃，45℃，平均风温为40℃。

图7 分层风温分布（高温区分布在下方）

设置分层风温，下图风温从上到下风温逐层降低，分别为45℃，42℃，40℃，38℃，35℃，平均风温为40℃。

图8 分层风温分布（高温区分布在上方）

设置2组工况进行对比，工况设置如下表所示。

对比分析

对上述工况开展仿真分析后，输出了冷凝器的温度分布结果。下图呈现了工况 1 与工况 2 的温度及干度分布情况，二者的差异在于温度分布不同。左侧为工况 1 的结果，右侧为工况 2 的结果，可见冷凝器下半部分均处于过冷区间。该冷凝器内部流道采用 4 个Pass 流动布置，呈现入口过热、出口过冷的特性。结合前文提及的换热系数与干度的关联，再对照进风温度分布，可判断工况 2 的换热效果更优。