Ansys Fluent应用于新能源汽车行业的流体仿真解决方案

“  在过去的几年里，汽车产业一直蓬勃发展，并在许多方面经历着本质的、革命性的变化。提高电池续航能力、减少环境污染是政府、行业市场和消费者共同的要求。然而，随着电动汽车的类型，款式和技术的演变，消费者的需求也在不断的变化，对汽车在电耗、安全性、舒适性、经济性、方面的要求也在不断提高。热管理性能以及NVH常用来评价新能源汽车舒适性、安全性的指标，并且受到越来越多消费者的重视。”

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热管理性能与NVH

新能源汽车热管理系统设计的优劣直接关系整车可靠性、安全性、舒适性与能耗水平。

新能源汽车热管理系统通常包括发动机冷却系统，电机、电机控制器等功率器件冷却系统，电池包冷却/加热系统，乘员舱降温与采暖系统。热管理物理架构解析从介质流、能量流、信号流三个方面展开。其中，介质流解析包括空气流动路径分析、冷却水流动路径分析、制冷介质流动路径分析及油类冷却介质路径分析；能量流解析主要包括动力系统高温热源产热与热量传递路径分析、热管理系统耗功元件能量转换方式与传递路径分析；信号流解析按照传感器—控制器—执行器信号传递路径进行分析，分析内容主要包括传感器信号类型、信号传输与交互方式。

NVH是Noise（噪声）、Vibration（振动）和Harshness（声振粗糙度，也可通俗的理解为不平顺性）的总称。NVH中的N，及噪音（Noise），是很多消费者关注的指标，甚至可能成为购车选择中的决定性因素。通常来说，不同的消费群体对于噪声的要求也是不同的。家用车消费者往往更倾向于一个宁静舒适的车内空间。当前家用车气动噪声问题已日趋普遍和突出。

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技术挑战

难点1：电池的热管理

续航里程和电池成本问题，仍然制约新能源汽车的发展，汽车热管理有利于提升电动车续航里程。在续航方面，高速行驶时的续航、高温开空调时的续航和低温开空调时的续航三项指标表现较差，其中表现最差的是低温开空调时的续航里程。从纯电动车型的实际续航表现上看，常温不开空调时的平均实际续航里程为 290 公里，而开启空调后，无论是冷风还是暖风，续航里程均会受此影响出现下降的情况，其中冬天开启暖风对续航的影响尤为明显，平均实际续航仅为 233 公里，下降了 20%。北方用户受此影响很大，从满意度得分上来看，北方用户对低温时续航的满意度（60.6）显著低于南方用户（65.3）。

新能源汽车以纯电动为例，环境温度影响严重影响电池的性能，一般而言，三元锂电池的最适宜使用温度在15℃-35℃区间。在此区间，电池的性能最好。低温下使用锂离子电池易造成不可逆的损伤和潜在危险，高温会对材料的稳定性产生负面的影响，从而导致材料循环性能下降，严重情况下会导致电池过热从而产生严重危害。

难点2：乘员舱的热管理

受限于电池的使用环境要求，也导致乘员舱的冷热管理成为了耗电的大户，对此也对乘员舱的热管理提出了更高的要求。传统的燃油车不缺热源，发动机的余热足够乘员舱的加热，相对而言对油耗的折损并不明显，然而对电动车而言，这就成为了一个巨大的挑战。

举例来说，整车每百公里耗电约为16KWH左右，也就是说整车驱动以及辅件所需要的能量每百公里20度电，但是一旦开启了乘员舱加热，一般PTC所需功耗在5KW甚至更大也就意味着加热占了25%多的电能，这部分占能相对来说是巨大的。

难点3：电机电控的综合管理

目前纯电动新能源汽车的电机电控热管理需求是散热的需求，从全局角度来考虑的话电机所需要耗散的这部分热量能否应用于乘员舱及电池的热管理是一个行业研究的热点。此外基于电机电控的工作工况得到热损耗最终实现最佳散热性能和最小泵功消耗的最优匹配，也是工程上需要解决的难点之一。

难点4：NVH

汽车行驶速度不断提高，但由于气动噪声的数值与车速的六次方成正比，以及速度每增加一倍，气动噪声将增加18dB左右，因此，汽车产生的气动噪声显得十分突出，这是由于汽车外形存在大的拐角、截面变化和各种突出物，气流容易发生分离，形成复杂的非定常流，引发汽车表面空气层极大的压力脉动，从而产生气动噪声。该噪声成为影响车内乘坐舒适性和的重要因素。汽车外形的复杂性以及气动噪声的产生和传播的复杂性，导致对气动噪声产生的机理认识和控制还有一定的难度。

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解决方案

随着计算流体力学和声学计算方法的成熟，数值计算正在成为解决热管理以及气动噪声问题的主要工具。ANSYSFluent帮助汽车制造商在产品设计时加入热管理和外气动仿真，提高新能源汽车制造中的竞争优势，开发不同的产品以满足不同的客户需求。

1、外流场风阻分析

1.1 造型风阻分析

设计阶段整车外造型风阻分析，针对车辆设计外观造型进行优化，采用造型硬质模型进行风洞验证。

1.2 整车风阻分析

开发阶段整车风阻分析，针对整车空气动力学套件（气坝、气帘、扰流板、格栅等）进行优化，采用试制样车进行风洞验证（一般会做一到两轮风洞试验）。

1.3 典型工况

车速：120km/h

地面线：半载

壁面状态：无滑移（车辆）/滑移（风洞壁面）

轮胎旋转：无（造型分析）/有（整车分析）

机舱/底盘零部件：无（造型分析）/有（整车分析）

散热器/冷凝器多孔参数：无（造型分析）/有（整车分析）

2、热管理分析

2.1 空调风道分析

设计阶段整车内造型及空调风道风阻分析，涉及空调风管布置、风道出口指向性，通常考虑前后吹面及吹脚工况，带假人分析。

2.2 热舒适性分析

同样在设计阶段，考虑空调出风温度、舱外辐射及对流换热、人体代谢产热及呼吸排汗对舒适性的影响，参考PMV/PPD指标进行评价（通常和TAITherm或Theseus-FE进行联合仿真以模拟人体代谢产热）。

2.3 除霜/除雾分析

参考ISO3468、ISO3470及GB11555、GB11556进行除霜、除雾分析，考察前挡风玻璃在规定时间内的除霜、除雾能力。

3、热害分析

3.1 机舱热管理分析

开发阶段，考虑格栅及前端模块（散热器、冷凝器等）进气对发动机、电动机及动力电池单元冷却的能力，考虑进风量对前段模块换热量的影响。

3.2 排气系统热害分析

开发阶段，考虑整车发动机排气对机舱及底盘零部件辐射及对流换热的影响，考察机舱及底盘重要零部件许用温度限值，针对发动机及排气系统热辐射表面增加隔热措施。

3.3 机舱热浸分析

开发阶段，考虑停车瞬间、发动机及舱内冷却系统停止运行，机舱内部积聚热量的散热情况，考察机舱内部重要零部件的温度变化情况。

4、NVH

根据噪声源的发生机理，汽车噪声主要有两类：机械噪声和空气动力学噪声。而汽车在高速行驶时，空气动力学噪声变现的尤为明显。空气动力噪声是由于气体流动中的相互作用或与固体间的作用而产生的，包括空气通过车声缝隙或孔道进入车内而产生的冲击噪声、空气流过车身外突出物而产生的涡流噪声。空气与车声的摩擦声三个方面。其中后视镜引起的噪声是汽车空气动力学噪声的重要组成部分。

4.1 气动噪声源种类

单极子噪声源：可看作振动质量的点源,其声功率与流场平均流速的四次方成正比。

偶极子噪声源：由压力脉动引起的声源,其声功率与流场平均流速的四次方成正比。

四极子噪声源：来源于湍流的剪切应力,其声功率与流场平均流速的八次方成正比。

由于气动噪声中的四极子声源与偶极子源噪声强度之比正比于马赫数的平方，而地面运载工具（比如汽车在较高速度180KM/h时，其马赫数也仅仅0.147），因此，四极子噪声强度远小于偶极子源噪声强度，可忽略不计。单极子噪声为车辆体积位移引起空气体积脉动产生的，其辐射特性等同于点声源。汽车表面在气动噪声分析中可看作刚性，所以单极子源噪声可近似为零。因此，汽车的气动噪声源主要为偶极子源。

4.2 风噪声改善方法

4.2.1 车身气动性能优化

• 后视镜

• 隐藏式雨刮

• 隐藏式天线

• 流线型车声外形

• 车顶安装涡流发生器

4.2.2 车声隔声性能优化

• 车门、车窗密封系统

• 风挡、侧窗玻璃增厚

• 车身密封

• 汽车空调系统降噪

4.3 风噪声改善方法

• 低成本，速度快；风洞实验速度慢且成本高

• 更好的流场可视性，更好地设计决策

• 权衡冷却气流和气动阻力

• 参数化研究

• 可优化的伴随求解器（Fluent专用工具，它扩展了传统流体求解器的分析范畴，能够提供一个流体系统性能敏感性数据）

4.4 常见声学建模问题

• 频域范围（20Hz~20,000Hz）非常广：对于声学，时间分辨率通常比流体解的分辨率大好几个级别

• 声压大小：声压比静水压力小好几个级别，比如声压级=80dB，声压=0.2Pa，背景压力=101325Pa，需要非常细密的网格

• 辐射至远场：将声压辐射至远场必须使得流体域边界外也划分网格

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案例分享

乘员舱除霜分析

1.1 乘员舱模型

稳态分析：考察前挡风及侧窗视野区表面速度分布情况。

	稳态分析性能指标
视野区	表面风速≥2m/s 面积占比	表面风速≥1.5m/s 面积占比
A区	≥80%	≥90%
A’区	≥80%	≥90%
B区	≥60%	≥80%

 1.2 前处理

• 面网格处理

• 导入工作流

• 重构面网格

• 指定流体域

• 生成体网格

1.3 求解器设置

• 设置湍流模型和边界条件

• 设置监控参数及初始化

1.4 运行求解器

1.5 后处理

查看玻璃及视野区表面风速，计算风速指标。

视野区	表面积(m2)	表面风速≥2m/s区域			表面风速≥1.5m/s区域
		表面积(m2)	面积占比	指标	表面积(m2)	面积占比	指标
A区	0.190835	0.173568	90.95%	≥80%	0.176896	92.70%	≥90%
A’区	0.185131	0.124637	67.32%	≥80%	0.146140	78.94%	≥90%
B区	0.412759	0.285399	69.14%	≥60%	0.313916	76.05%	≥80%

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