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效率提升3-10倍以上的汽车行业工程化CFD分析方案（一）

2019-06-14 23:19发布

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效率提升3-10倍以上的汽车行业工程化CFD分析方案


汽车行业是CAE（计算机辅助工程）技术应用最为成熟的行业之一，对于新车型开发或者已有车型的改型、优化，相关行业标准中已经明确定义了一系列必要的仿真分析科目。作为CAE技术的重要分支，CFD（计算流体动力学）在整车/发动机/动力总成等开发领域的应用非常成熟，从整车外气动、热管理、水管理（涉水、淋雨等）、除霜除雾等传统应用，到发动机活塞喷油冷却、齿轮箱甩油、曲轴通风/润滑/冷却系统三维热流场分析等新兴工程应用，CFD技术的身影无处不在。

计算精度、计算效率、计算稳定性是考查CAE软件技术成熟度的三大核心指标，而用户体验、耦合接口及开放性等是从属参考指标。对于CAE/CFD技术的工程应用，“更准、更快、更稳定“是所有从业者与工程应用人员的不懈追求。在市场的指挥棒下，汽车行业对于“更准、更快、更稳定”的追求尤为重视，从未停歇。

汽车行业所采用的主流CAE软件，包括结构、流体等学科的工具，一直在持续经历着更新换代，早期的个别老牌软件甚至已经完成使命，退出舞台，更多的在缓缓谢幕。这一更新换代的过程虽然漫长而残酷，将面临数据迁移、可能的工作流程变更、用户习惯等阻力及成本问题，但软件自有其生命周期、算法亦有其生命周期，这一法则无从回避；核心技术的驱动、颠覆力量与发展趋势无法阻挡，只能主动拥抱。

近几年来，从北美到欧洲，一款工程化的CFD软件 —— Simerics-MP+在整车/发动机/动力总成等领域的应用范围、应用深度已经呈现出快速扩张及深化的趋势。究其原因，正在于Simerics-MP+在核心技术层面所展现出的显著优势及实际工程价值：

1

对于整车风阻、机舱通风冷却、热管理、涉水分析等传统应用方向，以及Simerics-MP+最早进入的运动机械（各类泵、压缩机、风扇、阀门等，所用软件名为PumpLinx）分析领域，Simerics-MP+在保障及提升计算精度、计算稳定性的前提下，在网格前处理、求解计算等关键环节，可至少提升3-10倍以上的工程效率，大幅缩减时间周期及成本，并已历经大量工业用户亲身实测；

2

作为目前全球范围内为数极少、独立发展的CFD软件开发商及服务商，Simerics在汽车行业深化应用、持续服务，与国际领先的车企、发动机企业密切合作已超过10年，在发动机活塞喷油冷却分析、齿轮箱甩油分析等热点应用方向已建立了完善的最佳工程实践；

3

基于天然的技术优势，在传统CFD软件技术难以触及、不敢涉足的领域，如包含大量泵、阀部件设备及微米级间隙的系统仿真应用方向——曲轴通风/润滑/冷却系统三维CFD仿真分析等，Simerics-MP+已经展开了大量实际工程应用，并已将成功实践经验从欧美输入到中国；

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前处理、解算、后处理一体化的操作界面，与主流CAD系统无缝集成的嵌入式版本、丰富的多学科软件接口，在用户体验、耦合接口及开放性等CAE软件的考查指标上，Simerics-MP+同样处于金字塔尖。


Simerics-MP+核心优势

Simerics公司是先进CFD技术的推行者，是目前为数极少、独立运行并专注于CFD技术持续开发、深度应用的专业公司，PumpLinx及Simerics-MP+系列均为其旗舰产品。Simerics-MP®集成计算流体力学分析核心技术，并包含丰富的物理模型\模板，包括：单相流\多相流、层流\湍流、空化\汽蚀、传热传质、颗粒流、流体-结构运动联合分析等。基于模板化技术，面向各行业的垂直应用，Simerics先后发布了流体机械版（即PumpLinx），以及汽车版、船舶版等各行业的专业CFD解决方案。


高效的车辆工程建模与模拟能力

Simerics公司长期服务于北美三大汽车厂商，融入到客户的研发环节，发现客户采用常规的CFD软件对汽车机舱CFD建模时效率低下。基于整车研发需求，Simerics-MP+结合了最新的CFD架构与Simerics公司特有的算法、物理模型和网格技术，将整车模拟流程封装为模板，帮助客户快速获得计算结果。该模板可精确模拟车辆发动机前舱通风、整车热管理、汽车涉水、整车气动性能等多方面的流动散热问题。功能特点如下：

  • 无需任何繁琐的几何清理，几何模型直接可用；

  • 网格生成模板化，一键式网格生成，自动多区块网格加密；

  • 模型设置模板化，包括多孔介质，风扇模型设置，边界条件的自动设置等；

  • 超快的建模能力，至少节约3/4的建模时间；

  • 精确的计算结果，大量车型的试验验证。


丰富的部件设备/运动机械模板

Simerics-MP+内置部件设备/运动机械模板，包括各种泵、压缩机、阀门、马达、风扇等，对于不同的运动机械配置，通过专门的模块预编程到 Simerics-MP+之内，几分钟之内就可以完成全部动网格和计算模型设置，建模过程便捷、高效。


高鲁棒性的VOF模型

Simerics-MP+具有高鲁棒性的VOF多相流模型，可考虑任意相的可压/不可压流体特性，具有高分辨率的气液界面捕捉方法，结合先进的网格技术，在涉水、淋雨、运动机械的VOF计算上具有显著优势。


稳健而精确的空化模型

Simerics-MP+拥有工业界独一无二的全空化模型，该空化模型经历了真实工业应用的测试和验证。对于非常困难的问题，在其它软件均告失败的情况下，Simerics-MP+依然可以收敛。Simerics-MP+不但能准确地预测空化对性能的影响，还可以准确地预测气蚀损害可能发生的位置。当气蚀效应不可忽略时，这一能力对于改进设备及系统设计、提高产品质量可起到至关重要的作用。


高度自动化的网格生成

Simerics-MP+通过二叉树算法和自适应笛卡尔网格技术来建立高效、高分辨率的网格，即使尺度差异悬殊的复杂几何也能快速建立优良的网格模型。   

此外，独特的网格模板技术可在几秒钟内自动生成高质量网格/结构化动网格。


高效的求解器与并行功能

Simerics-MP+将最新的数值技术与Simerics的专有算法相结合，建立了一个比传统CFD软件更快速、更稳健的数值模拟工具，且新版本支持高效并行。


精准、可靠的计算结果

Simerics-MP+计算结果的可靠性已得到众多实例验证，包含标准车辆模型、运动机械模型的验证。


汽车行业典型工程应用实践

Simerics-MP+在汽车行业已经具备超过10年的工程应用实践，且联合用户发表了大量公开的文献与成果。

篇幅所限，本文无法将相关工程应用成果一一详细展示。后续，合工仿真的Simerics技术团队将针对重点应用方向，整理技术应用文章进行分享，并将定期组织各类线上研讨会进行交流。

如果您关注下表所列任一应用，欢迎发送邮件至邮箱：info@uninsim.com，或在文末留言反馈，以便合工仿真的Simerics技术团队联络提供进一步的详细技术资料。


Simerics-MP+在发动机/动力总成开发中的工程应用案例列表


1

Pump, Compressor, Valve

各类泵、阀、压气机等零部件

2

Lubrication System 润滑系统

3

Cooling System 冷却系统

4

Fuel System 燃油系统

5

Torque Convertor 液力变矩器

6

Clutch 离合器

7

Engine Cooling 发动机冷却

8

Heat Exchanger 换热器

9

Bearing 轴承

10

Crank Case 曲轴箱

11

Gear box 齿轮箱搅油


Simerics-MP+在整车开发中的工程应用案例列表


1

Front End Air Flow 前端通风

2

Underhood Underbody Thermal 底盘热管理

3

Water Fording 涉水能力

4

Induction System 进气道

5

Brake Cooling 刹车冷却

6

External Flow 外流


Simerics-MP+在整车部件开发中的工程应用案例列表


1

Plenum Water Management 进气室水管理

2

Surge Tank 水箱

3

Fuel Tank 油箱

4

Wind Shield De-Icing 风挡除霜

5

Heat Exchanger 换热器


汽车行业部分工程应用案例展示

发动机活塞喷油冷却仿真

全面考虑多相流/传热/流固耦合/真实运动，精确分析有\无冷却通道，以及直喷\斜喷等不同形式的发动机活塞喷油冷却工况。


冷却系统仿真

3D CFD分析模型包括发动机水套、节温器、冷却水泵、散热器、暖风器及管路系统等，开展瞬态模拟，并考虑节温器熔腊过程、大小循环流量。


润滑系统仿真

得益于Simerics-MP+先进的笛卡尔网格技术和高效的求解功能,使得Simerics-MP+可对系统级流动-传热问题进行三维CFD仿真,为客户提供更为全面、直观、准确的计算结果。


曲轴箱通风仿真

Simerics-MP+内置有各种运动机械模板，可以很好地处理曲轴箱活塞和曲轴的运动，结合其VOF模型和网格技术，可以实现发动机曲轴箱通风模拟，预估曲轴箱通风效能。

后续精彩内容请继续查阅：效率提升3-10倍以上的汽车行业工程化CFD分析方案（二）          

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