Amesim Embedded CFD 如何通过一维和三维仿真环境的智能组合为您提供助力

车辆热舒适性挑战

受气候变化以及由此产生的节能目标影响，对各类车辆进行热舒适性评估的需求正不断增加，尤其是对城市公交车的热舒适性评估。

车辆的电动化也推动了这些节能举措。在这类车辆中，供暖不再像燃油车那样“免费”，而是和制冷一样，需要从电池中获取能量，进而影响车辆的续航里程。

因此在交通领域，原始设备制造商以及供应商都面临着这样一项挑战：要在设计周期的早期就充分考虑热舒适性，以便迅速做出最优决策，从而避免后期效率低下的反复修改。

在早期设计阶段引入热舒适评估应能快速、便捷地得出正确趋势，无需深入过多细节，因为所有系统组件尚未最终确定。需针对多种配置方案和实际工况（即瞬态工况）对其进行逻辑评估。

为应对这一挑战，由于气流现象具有三维特性，我们常采用系统仿真，但这种方式无法提供足够高的保真度。

采用完整的3D计算流体力学（CFD）方法来完成这项工作的传统替代方案也并非最优，因为计算机辅助设计（CAD）模型需要完全可用，且能快速处理的配置数量有限。

Simcenter Amesim 嵌入式 CFD 2020.2 版本概述

考虑到上述挑战，Simcenter Amesim 的嵌入式 CFD 方法实际上是一个不错的折中方案，它将系统仿真方法与 Simcenter STAR-CCM+ 的三维 CFD 方法结合在了一起。该工具被描述为介于一维和三维 CFD 仿真环境之间的混合工具，兼具两种技术的优势。它既具备三维求解的精度，又拥有接近一维仿真的计算速度，所有功能都封装在一个易于使用的专用图形用户界面（GUI）中。

用于座舱舒适性的Simcenter Amesim Embedded CFD 2020.2新版本拓展了应用可能性。它可适配各类座舱，从两座轿车到整架商用飞机均能支持。

用户现在可以自定义自身的几何形状、空气区域的数量、通风口的位置、材料类型（不透明或透明）以及更多参数。

除了这一重要改进外，我们还将与 Simcenter STAR-CCM+ 的兼容性升级到了更多版本（最高至 2020.1）。

应用于车门开启的城市公交车降温场景

下面将通过一个具体场景，展示如何利用多区域建模方法评估城市公交车的热舒适性，以此说明 Simcenter Amesim Embedded CFD 的使用方式。我们将首先模拟公交车的整个冷却过程，接着模拟公交车停靠的两个连续站点，期间前后车门和中部车门均会开启。

Simcenter Amesim 模型

下图展示了包含座舱组件的 HEAT 库。

该组件默认有3个外部端口，左侧端口用于连接通风口边界条件，涉及空气质量流量、温度、压力和湿度；右侧端口用于连接车辆速度和环境空气温度。

构建三维几何模型

要基于上述 Simcenter Amesim 模型构建三维几何图形，我们需从座舱组件启动 Simcenter Amesim 嵌入式计算流体力学应用程序。

分步图形用户界面引导用户完成一维-三维耦合仿真。

我们从3D几何建模开始吧。

三维几何结构通过基本体块（如长方体、圆柱体、三维多边形等）的XYZ坐标和尺寸来构建。…… 元素可分为3种类型：

• 流体：用于创建目标流体环境（即最终的车厢空气体积）

• 实体：用于创建将被视为与空气进行热交换的实体对象

• 障碍物：用于从流体域中移除材料（例如车轮）

我们使用切割平面将整体体积划分为目标空气区域。对于我们的总线模型，我们共定义了16个空气区域，如下所示。

为帮助用户构建几何模型，请注意我们配备了一个动态3D查看器。

几何图形完成后，“生成”按钮会在几秒钟内静默启动一个 Simcenter STAR-CCM+ 模型。

定义边界条件并对三维模型进行网格划分

在第二步中，我们可以执行多项操作：

• 重命名几何模型中的单元（体和面）

• 将边界条件关联到某个面（见下图）

• 只需通过拖放操作，即可将 Simcenter Amesim 与 Simcenter STAR-CCM+ 之间需要交换的变量进行关联

• 定义平均网格尺寸并支持重力处理

模拟瞬态工况

在运行模型之前，我们会在“3D模型转1D草图”步骤中自动生成机舱的一维结构。用户可能需要在该步骤开始时，重新定义与机舱相连的多路复用（MUX）元件的尺寸。

完成后，即可对该运行过程进行定义和启动，随后还可访问后处理的三维结果，具体操作如下图所示。

我们当然也可以查看 Simcenter Amesim 中的瞬态结果；下图展示了冷却过程中16个空气区域温度的变化情况。

我们可以清晰看到，600秒后两次公交车停靠的影响显现出来，每次车门开启时长为30秒。

现在我们来更详细地了解：

• 我们如何将 Simcenter Amesim 与 Simcenter STAR-CCM+ 进行耦合

• 我们如何模拟车门开启

1D/3D 耦合流程的详细说明

作为先前展示的嵌入式计算流体力学（CFD）工作流程的一部分，我们会自动生成下文列出的Simcenter Amesim与Simcenter STAR-CCM+之间的信息交互。用户可通过导入/导出功能添加自定义的交互项。

在 Simcenter Amesim 瞬态过程中，用户定义的事件会触发这些交互，如下所示。

请注意，Simcenter STAR-CCM+ 的运行是作为稳态计算来执行的。

这些事件与停止组件相关，既可以基于时间触发，也可以基于任意系统变量的变化触发。

在公交车的示例中，有两个触发条件：

• 一个间隔递增的基于时间的触发器，以便在冷却开始时更精准

• 一个与公交车速度相关的触发器，用于控制车门的开启和关闭

下图展示了这些触发条件：

车门开启模拟

现在我们来看看车门开启的模拟。

在我们公交车示例的场景中，我们将环境温度设置为35摄氏度。

当公交车车门在站台处打开时，我们会根据空气密度差计算出的质量流量作用于车门处。为此，我们需要获取车门旁空气区域的空气温度和湿度，如下所示。

所使用的分析模型由范（Pham）和奥利弗（Oliver）定义[参考文献]：

[引用] 阮廷芳（Q.T. Pham）、D.W. 奥利弗（D.W. Oliver）：《冷库的空气渗透》，收录于《第16届国际制冷大会论文集》第4卷，1983年，第67-72页。

由此得出以下质量流量分布：

请注意，此处将开启/关闭视为瞬时完成的，当然这一点可以调整得更贴合实际情况。