Cotherm作為一款專業(yè)的CAE耦合工具，在三維熱流耦合方面，支持TAITherm與CFD工具的穩(wěn)態(tài)耦合、準(zhǔn)瞬態(tài)耦合以及全瞬態(tài)耦合三種自動(dòng)耦合實(shí)現(xiàn)方式，用戶可以使用CoTherm的GUI界面直接編輯耦合流程進(jìn)行耦合設(shè)置，而無(wú)需使用復(fù)雜的腳本，耦合仿真過(guò)程更加直觀，并減少了用戶操作，提升產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，從而使用戶更專注于實(shí)際分析。

在針對(duì)特定的多學(xué)科耦合性強(qiáng)的問(wèn)題，僅通過(guò)熱流耦合不能對(duì)問(wèn)題進(jìn)行完整的求解。需要進(jìn)行一三維或多學(xué)科一維模型集成求解。如熱系統(tǒng)加控制算法聯(lián)調(diào)優(yōu)化、駕駛循環(huán)熱舒適度模擬以及熱管理系統(tǒng)優(yōu)化等等。Cotherm 2021.1版本增強(qiáng)了TAITherm與多種一維工具耦合仿真的功能，包括與Matlab-Simulink耦合、與GT-SUITE軟件耦合以及與FMU模型耦合，其中支持FMU模型集成耦合，為集成支持FMI協(xié)議的多種一維工具提供了條件，如KULI、Dymola、AMESim、Flomaster等等。本文將結(jié)合相關(guān)案例對(duì)多物理場(chǎng)耦合方案進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

MATLAB-Simulink & TAITherm耦合功能

通過(guò)MATLAB-Simulink & TAITherm耦合方案，可實(shí)現(xiàn)三維熱模型和控制算法聯(lián)合仿真，詳細(xì)的熱模型作為控制算法被控對(duì)象，還原真實(shí)熱系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，指導(dǎo)熱系統(tǒng)和控制算法優(yōu)化。

????案例介紹

以一個(gè)黑箱石墨加熱器PID控制模型為例，通過(guò)PID調(diào)控石墨加熱體兩端的電壓，石墨加熱體以輻射傳熱的形式控制試驗(yàn)件的溫度。其中，傳熱過(guò)程由TAITherm計(jì)算模擬，控制過(guò)程由Simulink模擬。

圖1 Matlab-Simulink & TAITherm控制模型耦合案例

????耦合流程

該案例在Cotherm中耦合仿真流程如圖2所示。首先TAITherm根據(jù)初始狀態(tài)計(jì)算當(dāng)前試驗(yàn)件溫度；Simulink根據(jù)試驗(yàn)件溫度計(jì)算一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)后石墨加熱體的溫度；TAITherm再根據(jù)石墨加熱體溫度計(jì)算試驗(yàn)件溫度；不斷循環(huán)直至試驗(yàn)件達(dá)到目標(biāo)溫度。

圖2 Cotherm耦合計(jì)算流程

????結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)Cotherm耦合迭代，由Simulink的PID控制模型與TAITherm耦合計(jì)算的結(jié)果如圖3所示。其中，a)為TAITherm熱模型中石墨加熱體的溫度變化，b)為Simulink模型中石墨加熱體的溫度變化，c)為試驗(yàn)件溫度變化。

圖3 Cotherm監(jiān)測(cè)量瞬態(tài)變化

石墨加熱體溫度受PID控制，因此熱模型中石墨加熱體的溫度變化與Simulink模型中石墨加熱體溫度變化一致。在初始加熱階段，試驗(yàn)件溫度與目標(biāo)溫度相差較大，PID控制加熱體快速升溫對(duì)試驗(yàn)件加熱，試驗(yàn)件溫度隨之升高。當(dāng)試驗(yàn)件溫度不斷接近目標(biāo)溫度時(shí)，PID控制模型通過(guò)逐漸減小石墨加熱體溫度，使試驗(yàn)件溫度趨近目標(biāo)值并達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)腔內(nèi)溫度分布如圖4所示。

圖4 TAITherm溫度場(chǎng)結(jié)果

由結(jié)果可看出，PID控制的試驗(yàn)件溫度迅速達(dá)到了穩(wěn)定，通過(guò)虛擬熱試驗(yàn)對(duì)PID控制進(jìn)行調(diào)參優(yōu)化結(jié)果合理，可以避免因?yàn)檫^(guò)調(diào)節(jié)對(duì)加熱體以及受測(cè)部件產(chǎn)生破壞，與此同時(shí)黑箱內(nèi)的溫度變化也可以指導(dǎo)試驗(yàn)方案布局優(yōu)化。

GT-SUITE & TAITherm&CFD耦合功能

在整車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)與座艙熱環(huán)境之間的耦合求解對(duì)還原真實(shí)的整車運(yùn)行場(chǎng)景從而指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)和座艙熱環(huán)境設(shè)計(jì)是有利的。通過(guò)Cotherm進(jìn)行TAITherm、CFD工具與GT-SUITE三者之間進(jìn)行穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)耦合，可在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況點(diǎn)和瞬態(tài)運(yùn)行工況下，對(duì)乘員艙溫度場(chǎng)和人體舒適度進(jìn)行分析并進(jìn)行系統(tǒng)性能評(píng)估和優(yōu)化。

????案例介紹

此處以模擬整車在冬季環(huán)境下經(jīng)歷90min的采暖為例，分析在車速、空調(diào)系統(tǒng)采暖模式及進(jìn)風(fēng)模式均動(dòng)態(tài)變化的條件下，艙內(nèi)溫度及流場(chǎng)的變化過(guò)程。

工況變化如下圖所示：

圖5 TAITherm & STAR-CCM & GT-SUITE空調(diào)系統(tǒng)耦合工況

耦合方案數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程如圖6所示，空調(diào)系統(tǒng)模型與CFD模型耦合計(jì)算，主要針對(duì)暖風(fēng)芯體換熱求解，其中CFD模型集成了HVAC和座艙兩部分進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。CFD模型計(jì)算得到暖風(fēng)芯入口風(fēng)速和風(fēng)溫分布，作為邊界映射給空調(diào)系統(tǒng)模型中的暖風(fēng)芯，空調(diào)系統(tǒng)模型根據(jù)水溫和CFD邊界變化計(jì)算出該通風(fēng)條件下暖風(fēng)芯換熱量，將換熱量施加到CFD暖風(fēng)芯模型中，進(jìn)行HVAC溫度場(chǎng)求解，得到座艙準(zhǔn)確的進(jìn)風(fēng)邊界條件。座艙熱模型和流場(chǎng)模型耦合計(jì)算，在設(shè)定耦合時(shí)間點(diǎn)，CFD模型將座艙近壁面對(duì)流換熱系數(shù)和空氣溫度導(dǎo)出映射給熱模型，熱模型將壁面溫度映射CFD模型，進(jìn)行熱流耦合求解。

圖6 TAITherm & STAR-CCM & GT-SUITE空調(diào)系統(tǒng)耦合案例

????耦合流程

該案例在Cotherm中耦合仿真流程如圖7所示。

圖7 Cotherm瞬態(tài)耦合流程

首先根據(jù)設(shè)置的耦合參數(shù)，如耦合計(jì)算終止時(shí)間、耦合時(shí)間間隔表、各模型求解步長(zhǎng)等，更新系統(tǒng)模型、熱模型和流場(chǎng)模型求解配置參數(shù)，并對(duì)各模型進(jìn)行初始化，導(dǎo)出相應(yīng)的邊界文件，然后進(jìn)入耦合迭代流程。三個(gè)模型并行計(jì)算，在耦合時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并在計(jì)算完成后，跳入下一循環(huán)，直到達(dá)到耦合結(jié)束時(shí)間，進(jìn)行相應(yīng)的后處理，最后結(jié)束計(jì)算。

????結(jié)果分析

本案例包含HVAC+座艙CFD模型、座艙熱模型以及空調(diào)系統(tǒng)模型，考慮不同出風(fēng)模式、內(nèi)外循環(huán)、風(fēng)口風(fēng)量分配不均、風(fēng)口溫差以及車輛運(yùn)行狀態(tài)對(duì)座艙溫度的影響，下面主要針對(duì)HVAC和座艙熱流分析結(jié)果進(jìn)行分析。

• 圖8和圖9分別表示暖風(fēng)芯體換熱量變化和進(jìn)風(fēng)箱空氣溫度變化。由圖8可以看出，在整個(gè)冬季駕駛循環(huán)工況中，暖風(fēng)芯的換熱量隨著車輛運(yùn)行狀態(tài)與HVAC模式的變化而實(shí)時(shí)變化，如在70min HVAC系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)模式由外循環(huán)切換到內(nèi)循環(huán)模式（RECIRC）后，換熱器的換熱率顯著下降，這是因?yàn)閮?nèi)循環(huán)模式下進(jìn)風(fēng)溫度較高，暖風(fēng)芯換熱溫差減小導(dǎo)致，同時(shí)座艙回風(fēng)溫度迅速上升。

圖8 換熱器換熱率的變化

圖9 換熱器入口風(fēng)溫的變化

• 由圖10-12可以看出，在對(duì)空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行建模仿真后，空調(diào)出風(fēng)口溫度和流量的差異得到了體現(xiàn)。由圖10及11可以看出，在0-10min，HVAC為除霜模式，吹腳和吹面出風(fēng)口處于關(guān)閉狀態(tài)。10min后，空調(diào)開(kāi)啟吹腳模式，可以看到吹腳左右出風(fēng)口、吹面兩側(cè)出風(fēng)口保持一定的出風(fēng)量，主駕側(cè)流量高于副駕側(cè)，70min時(shí)，空調(diào)由外循環(huán)切換至內(nèi)循環(huán)，風(fēng)量降低。空調(diào)出風(fēng)溫度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫上升，呈逐步上升趨勢(shì)。在50-60min的停車（IDLE）工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫下降，出風(fēng)溫度回落。

圖10 吹腳出風(fēng)口流量

圖11 吹面?zhèn)瘸鲲L(fēng)口流量

圖12吹面?zhèn)瘸鲲L(fēng)口溫度

• 對(duì)座艙內(nèi)重點(diǎn)位置的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖13可以看出在整個(gè)駕駛循環(huán)工況中駕駛員頭部側(cè)（HD1）、后排左側(cè)乘客頭部側(cè)（HD3）以及駕駛員腳部側(cè)（FT1）的溫度呈緩慢上升趨勢(shì)，頭部和腳步空間以及前排和后排存在一定的溫差；同時(shí)，在50-60min的停車（IDLE）工況下乘員艙的溫度因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)水溫下降而有所回落。座艙擋風(fēng)玻璃由于與環(huán)境對(duì)流換熱的減弱導(dǎo)致其溫度有一定的提升，如圖14所示。

圖13 座艙局部溫度變化

圖14 擋風(fēng)玻璃溫度變化

如上，綜合考慮整車駕駛循環(huán)工況下，外界環(huán)境、HVAC運(yùn)行模式、空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)等因素對(duì)座艙溫度場(chǎng)的影響，可以更加準(zhǔn)確的模擬座艙熱環(huán)境，對(duì)指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、座艙人體熱舒適度開(kāi)發(fā)是具有一定意義的。

FMU模型集成仿真功能

自2021.1版本開(kāi)始，CoTherm支持導(dǎo)入FMU模型并與其他Cotherm支持的模型耦合實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)集成，包括電池管理系統(tǒng)、座艙熱管理系統(tǒng)、電機(jī)、熱管理系統(tǒng)、整車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)等。采用FMU進(jìn)行多學(xué)科集成分析，更能反映復(fù)雜系統(tǒng)特性，方便用戶分析評(píng)估復(fù)雜系統(tǒng)性能，得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，指導(dǎo)系統(tǒng)選型、產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化等典型應(yīng)用。

圖15 Cotherm耦合FMU模型

????案例介紹

以一個(gè)BMS和熱管理系統(tǒng)的FMU模型與電池包模型集成仿真應(yīng)用案例進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。電池管理系統(tǒng)FMU模型計(jì)算電池包充電過(guò)程中的生熱并根據(jù)電池包溫度控制充電電流；電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)FMU模型對(duì)電池包進(jìn)行溫度控制，輸出電池包水冷板入口溫度給電池包熱模型，再將水冷板出口溫度反饋給熱管理系統(tǒng)；三個(gè)系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系和數(shù)據(jù)傳遞如下圖所示。

圖16 電池管理系統(tǒng)FMU應(yīng)用案例

????結(jié)果分析

• 低溫充電工況下，初始溫度越低，加熱功率對(duì)充電效率影響越大。在0℃時(shí)，電池包在沒(méi)有加熱時(shí)幾乎無(wú)法充電；使用1000W加熱時(shí)，電池包充電電流小，充電速度緩慢；使用3000W加熱，電池包可以使用更大的充電電流，明顯提升電池包充電低溫工況下充電性能。如下圖所示。

圖17 電池包低溫充電工況結(jié)果曲線

• 夏季高溫快充工況，相同的冷卻水流量下，電池包冷卻水溫度越低，越有利于電池包散熱，可以達(dá)到更好的快充性能。在電池包起始溫度為40℃時(shí)，進(jìn)行快充，使用冷卻水流量為600L/min時(shí)，電池包的充電電流要大于0L/min、200L/min、400Lmin的充電電流。可見(jiàn)夏季高溫快充時(shí)，電池包冷卻能力越強(qiáng)，BMS可施加更大的電流進(jìn)行充電，充電效率更高，如下圖所示。

圖18 電池包高溫快充結(jié)果曲線

注：以上案例為方案演示使用，結(jié)果僅供參考！

Cotherm新版本的功能遠(yuǎn)不止這些，但限于篇幅原因，本次介紹到這里就結(jié)束了，想要了解更多Cotherm功能應(yīng)用，歡迎留言來(lái)信與我們交流。