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、準瞬態(tài)耦合以及全瞬態(tài)耦合三種自動耦合實現(xiàn)方式，用戶可以使用CoTherm的GUI界面直接編輯耦合流程進行耦合設置，而無需使用復雜的腳本，耦合仿真過程更加直觀，并減少了用戶操作，提升產(chǎn)品開發(fā)效率，從而使用戶更專注于實際分析。
在針對特定的多學科耦合性強的問題，僅通過熱流耦合不能對問題進行完整的求解。需要進行一三維或多學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)合相關案例對多物理場耦合方案進行簡要介紹。
MATLAB-Simulink & TAITherm耦合功能
通過MATLAB-Simulink & TAITherm耦合方案，可實現(xiàn)三維熱模型和控制算法聯(lián)合仿真，詳細的熱模型作為控制算法被控對象，還原真實熱系統(tǒng)運行環(huán)境，指導熱系統(tǒng)和控制算法優(yōu)化。
?? 案例介紹
以一個黑箱石墨加熱器PID控制模型為例，通過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件的溫度。其中，傳熱過程由TAITherm計算模擬，控制過程由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)計算當前試驗件溫度；Simulink根據(jù)試驗件溫度計算一個時間步長后石墨加熱體的溫度；TAITherm再根據(jù)石墨加熱體溫度計算試驗件溫度；不斷循環(huán)直至試驗件達到目標溫度。
圖2 Cotherm耦合計算流程
?? 結(jié)果分析
經(jīng)過Cotherm耦合迭代，由Simulink的PID控制模型與TAITherm耦合計算的結(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)為試驗件溫度變化。
圖3 Cotherm監(jiān)測量瞬態(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，試驗件溫度與目標溫度相差較大，PID控制加熱體快速升溫對試驗件加熱，試驗件溫度隨之升高。當試驗件溫度不斷接近目標溫度時，PID控制模型通過逐漸減小石墨加熱體溫度，使試驗件溫度趨近目標值并達到穩(wěn)定，此時腔內(nèi)溫度分布如圖4所示。
圖4 TAITherm溫度場結(jié)果
由結(jié)果可看出，PID控制的試驗件溫度迅速達到了穩(wěn)定，通過虛擬熱試驗對PID控制進行調(diào)參優(yōu)化結(jié)果合理，可以避免因為過調(diào)節(jié)對加熱體以及受測部件產(chǎn)生破壞，與此同時黑箱內(nèi)的溫度變化也可以指導試驗方案布局優(yōu)化。
GT-SUITE & TAITherm&CFD耦合功能
在整車空調(diào)系統(tǒng)設計過程中，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)與座艙熱環(huán)境之間的耦合求解對還原真實的整車運行場景從而指導空調(diào)系統(tǒng)和座艙熱環(huán)境設計是有利的。通過Cotherm進行TAITherm、CFD工具與GT-SUITE三者之間進行穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)耦合，可在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行工況點和瞬態(tài)運行工況下，對乘員艙溫度場和人體舒適度進行分析并進行系統(tǒng)性能評估和優(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)采暖模式及進風模式均動態(tài)變化的條件下，艙內(nèi)溫度及流場的變化過程。
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)傳遞過程如圖6所示，空調(diào)系統(tǒng)模型與CFD模型耦合計算，主要針對暖風芯體換熱求解，其中CFD模型集成了HVAC和座艙兩部分進行流場計算。CFD模型計算得到暖風芯入口風速和風溫分布，作為邊界映射給空調(diào)系統(tǒng)模型中的暖風芯，空調(diào)系統(tǒng)模型根據(jù)水溫和CFD邊界變化計算出該通風條件下暖風芯換熱量，將換熱量施加到CFD暖風芯模型中，進行HVAC溫度場求解，得到座艙準確的進風邊界條件。座艙熱模型和流場模型耦合計算，在設定耦合時間點，CFD模型將座艙近壁面對流換熱系數(shù)和空氣溫度導出映射給熱模型，熱模型將壁面溫度映射CFD模型，進行熱流耦合求解。
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)設置的耦合參數(shù)，如耦合計算終止時間、耦合時間間隔表、各模型求解步長等，更新系統(tǒng)模型、熱模型和流場模型求解配置參數(shù)，并對各模型進行初始化，導出相應的邊界文件，然后進入耦合迭代流程。三個模型并行計算，在耦合時間點進行數(shù)據(jù)交換，并在計算完成后，跳入下一循環(huán)，直到達到耦合結(jié)束時間，進行相應的后處理，最后結(jié)束計算。
?? 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，考慮不同出風模式、內(nèi)外循環(huán)、風口風量分配不均、風口溫差以及車輛運行狀態(tài)對座艙溫度的影響，下面主要針對HVAC和座艙熱流分析結(jié)果進行分析。
- 圖8和圖9分別表示暖風芯體換熱量變化和進風箱空氣溫度變化。由圖8可以看出，在整個冬季駕駛循環(huán)工況中，暖風芯的換熱量隨著車輛運行狀態(tài)與HVAC模式的變化而實時變化，如在70min HVAC系統(tǒng)進風模式由外循環(huán)切換到內(nèi)循環(huán)模式（RECIRC）后，換熱器的換熱率顯著下降，這是因為內(nèi)循環(huán)模式下進風溫度較高，暖風芯換熱溫差減小導致，同時座艙回風溫度迅速上升。
圖8 換熱器換熱率的變化
圖9 換熱器入口風溫的變化
- 由圖10-12可以看出，在對空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部流場進行建模仿真后，空調(diào)出風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，吹腳和吹面出風口處于關閉狀態(tài)。10min后，空調(diào)開啟吹腳模式，可以看到吹腳左右出風口、吹面兩側(cè)出風口保持一定的出風量，主駕側(cè)流量高于副駕側(cè)，70min時，空調(diào)由外循環(huán)切換至內(nèi)循環(huán)，風量降低?？照{(diào)出風溫度隨著發(fā)動機的水溫上升，呈逐步上升趨勢。在50-60min的停車（IDLE）工況下，發(fā)動機水溫下降，出風溫度回落。
圖10 吹腳出風口流量
圖11 吹面?zhèn)瘸鲲L口流量
圖12吹面?zhèn)瘸鲲L口溫度
- 對座艙內(nèi)重點位置的溫度進行監(jiān)測，如圖13可以看出在整個駕駛循環(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，頭部和腳步空間以及前排和后排存在一定的溫差；同時，在50-60min的停車（IDLE）工況下乘員艙的溫度因為發(fā)動機水溫下降而有所回落。座艙擋風玻璃由于與環(huán)境對流換熱的減弱導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運行模式、空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)等因素對座艙溫度場的影響，可以更加準確的模擬座艙熱環(huán)境，對指導空調(diào)系統(tǒng)設計優(yōu)化、座艙人體熱舒適度開發(fā)是具有一定意義的。
FMU模型集成仿真功能
自2021.1版本開始，CoTherm支持導入FMU模型并與其他Cotherm支持的模型耦合實現(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、熱管理系統(tǒng)、整車動力學系統(tǒng)等。采用FMU進行多學科集成分析，更能反映復雜系統(tǒng)特性，方便用戶分析評估復雜系統(tǒng)性能，得到更準確的結(jié)果，指導系統(tǒng)選型、產(chǎn)品設計優(yōu)化等典型應用。
圖15 Cotherm耦合FMU模型
?? 案例介紹
以一個BMS和熱管理系統(tǒng)的FMU模型與電池包模型集成仿真應用案例進行簡單介紹。電池管理系統(tǒng)FMU模型計算電池包充電過程中的生熱并根據(jù)電池包溫度控制充電電流；電池熱管理系統(tǒng)FMU模型對電池包進行溫度控制，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)；三個系統(tǒng)之間的耦合關系和數(shù)據(jù)傳遞如下圖所示。
圖16 電池管理系統(tǒng)FMU應用案例
?? 結(jié)果分析
- 低溫充電工況下，初始溫度越低，加熱功率對充電效率影響越大。在0℃時，電池包在沒有加熱時幾乎無法充電；使用1000W加熱時，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，可以達到更好的快充性能。在電池包起始溫度為40℃時，進行快充，使用冷卻水流量為600L/min時，電池包的充電電流要大于0L/min、200L/min、400Lmin的充電電流?？梢娤募靖邷乜斐鋾r，電池包冷卻能力越強，BMS可施加更大的電流進行充電，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功能應用，歡迎留言來信與我們交流。
