系统仿真软件AMESim热管理模块学习：热管理基础

这期和大家一起学习下Amesim在热管理领域的建模基础知识，其实对于软件的学习，知道软件基本的操作和流程之后，就是对照着实例去学习，有问题先查资料和看help文档，实在不会的上论坛百度等搜索，再搞不定的就去请教用过或者会的人，这样的效率是最高的，诚然，从基础到精通，现在不适合像学生时代一样先搭建总体的框架再一个个功能去学习，那样太枯燥并且比较慢，每个人都有适合自己的学习方法，仅供列位参考！

一、基础回顾

我们回顾一下之前学习的仿真流程：

从左到右分别是：

1）草图模式：简而言之就是类似于Simulink一样，搭建系统的组件，俗称搭积木，模型要搭建完整，所有端口必须连接；

2）子模型模式：目的是给每个元件分配不同的数学方程，方便后面解算使用（不知道可以看help以及可以选择最简化一键配置）；

3）参数模式：对于数学方程的参数和元件参数进行设定；

4）仿真模式：选择求解器，仿真时间和采样频率。

二、热管理基础知识

1. Amesim中与热相关的库
   

   Pneumatic：气体相关库，对流等等

   Thermal：固体相关，热传导，热辐射等

   Thermal Hydraulic：流体相关，流体固体对流换热
   

2. 基本理论

对于Thermal库中，基本元件分类如下所示：

传感器可以获得热源，热计算用来计算换热和热辐射、热对流等，湿空气属性对于乘员仓计算需要用到。

如上图，每一个元件的接口代表了和外界的特性、属性接口，比如上图，对于热容模块，热容仅仅代表了一个温度状态，是计算温度反应材料属性和温度的变化。对于换热的三种方式，前提条件是具备温差才能进行换热。热传导模块的输入是温度，输出是热量，对于端口1和2是刚好相反：

其他模块同理，在使用时候一定要注意输入和输出是什么。

其他的对于湿空气主要需要考虑和假设的是换热的湿空气容腔和湿空气流路建模部件，而对流换热内部或外部对流换热、自然和强制对流和密闭空间的对流换热；对于太阳或者地表或者其他部件热源的热辐射主要考虑物体透明和不透明表面以及反射、投射和吸收热量的计算。

2.1 各个元件参数设定和理论

2.1.1 材料定义

定义固体的材料属性（铁、铜、铝等常见材料）包括：密度[Kg/m3]，比热[J/Kg/℃]，热导率[W/m/℃]，定义方式有：选择库中已有材料、定义为常量、定义为文件或者表达式、属性定义拟合。

2.2.2 热容计算

• 和材料质量和体积有关

• 温度计算：计算各个端口的热量引起的变化

• 热容本身存储能量评估

  
  

  

重要概念：热容的集中参数法，这里说的意思是比如做电池热管理仿真，是考虑整个电池包当成一个热容还是一个电池模组或者电池单元看成一个热容。电池温差各个模组不一样，如果把电池单元看成一个热量是不足以分析电池温差和温度分布情况的，所以就需要分解，通过Bi参数选择：

上式中，L是固体的换热特征长度，h是对流换热系数，λ是固体的导热率

1. 当Bi <<1，适合单个热容建模方式

2. 当Bi>>1,需要将热容离散成多个质量块

3. 若Bi<<1，固体中的导热热阻远小于流过流体边界层的对流热阻，可以假定固体内温度分布均匀，则Bi越小，表示内热阻越小，外部热阻越大。

4. 对于瞬态问题，采用集总参数法求解，称Bi<<1的问题为热简单问题，若Bi>>1,意味着物体内部温度场的不均匀性非常强，是复杂问题

5. Bi<= 0.1,热传导是迅速的，Bi>0.1 对流换热是迅速的

   
   

2.2.3 热传导计算

输入：温度，输出：热量

热传导的五种设置方式：

1. 通用热传导：dh = G.A.δT

2. 线性热传导：dh = λ.A/dist × δT

3. 圆柱管道径向热传导：dh = 2.π.λ.L /Ln（din/dout）.δT

4. 基于形状因子的热传导：dh = λ.sf.δT

5. 两种不同材料的热传导：

   dh = δT/（dist1/λ1.A  + dist2/λ2.A +RC）

对于形状因子的热传导因为考虑了物体形状对热传导的影响，实际用的比较少；重点是对于两个不同材料的热传导，需要考虑接触热阻：两个固体表面的界面处的热传导存在明显的温度梯度，而实际结构中，真实的热传导并不理想，接触间隙中填充的空气或者流体影响，相应热导系数G定义如下：

φ = G(T1-T2)

2.2.4 对流换热

雷诺数反应对流状态，普朗特数反应流体参与换热的比例，格拉斯霍夫数和雷诺数配合使用。

对流换热计算：

其中，h为对流换热系数，λ是流体热导率，dim是换热特征长度

强迫对流换热是雷诺数和普朗特数的常数：Nu = f(Re,Pr),其中Re是惯性力和粘性力的比值，其中：

上式中U为流体速度，Dh为水力直径，V为运动粘度，μ为绝对粘度，Cp为比热，λ为流体热导率，α为热扩散率。

自然对流换热：Nu = f(Gr,Pr) = C(Gr.Pr)的n次方 = C.R×a的n次方，对于层流换热，n = 0.25，对于湍流换热，n=0.33

在Amesim中如上的参数可以通过软件设定，对于特定系统，如何决定强迫对流和自然对流的比例通过如下计算：

Gr/Re平方，若<<1，则忽略自然对流，若>>1，则忽略强迫对流，若≈1，则都需要考虑。

对于一般的通用换热器我们得到换热量由换热效率乘以最大换热能力，最大换热能力由Cmin×（Thotin - Tcoldin），Cmin是最小热熔率，通过C=dm×Cp计算，最小热容即为两个物体的最小热容，Thotin和Tcoldin为热边温度和冷边温度。

而换热效率 = f(Ntu,Cmin/Cmax), Ntu = UA/

而UA = 1/（Rth1+Rtall + Rth2）等效热导，展开如下：

UA = 1/（d1/(Nu1×λ1×A1) + 1/Gtall + d1/(Nu1×λ1×Atu2)）->

Nu= α×Re×Pr（就是要确定这个，A，d1都是换热器的参数）

其中d1/(Nu1×λ1×A1)为水侧的热阻，d1/(Nu1×λ1×Atu2)为风侧的热阻，1/Gtall为接触热阻

3. 基础热管理建模

3.1 热管理基本建模思路

我们对于热部件的建模获取的最终结果是温度，但是温度只是一个发热和换热结果的反映，发热边界+流量系统+对流换热是建模的必须要做的三件事情，也就是把一个系统拆解成这三件事去建模。

对于热流体属性Amesim提供了专业库，一般情况可以直接在库中找到，对于热流体属性提供三种计算模式：能量平衡模式（计算温度变化的模式）、等熵模式、等温模式。

关键概念：容性和阻性，容性：输入流量和输入压力，阻性：根据变压差算流量。

3.2 一个简单地冷却回路搭建

Step1：元件获取

从热库和1D机械库提供一个离心泵和一个泵源：

从信号库中取一个变化转速：

再从热压库取一个管路：

再取一个控制器水套：

再从heat库获取一个气液换热器

再加上膨胀水箱，节流孔和热容，再连接线，所有元件均在热阻库、热容库和热库中可以找到。

可以暂时先不考虑温度标定，可以先做流量标定，首先添加一个温度口，先保证流量正确：

整理后建模如下：

Step2：子模型选择

先按照实际回路等效，从源头依次选取，如果是库的元件每一个元件都必须选取。

冷却液的选择

材料选择一般材料：

泵选择热液压泵（热管理）：

对于管路选择简单地第一个，代表尽量保证前后元件直连，这里有这么多选择的目的是管路既有容性也有阻性，适应不同的场合。

后续元件都选择第一个，选择完毕后可以点击一键默认，若出现报错，则代表不能直连，建议加管路或者热阻容元件。

在demo中保存一个整车模型过来：

这样我们可以通过demo实现对于各种边界情况的换热分析。

Step3：仿真

这里不得不说有很多注意的地方，第一个就是对于气液换热器需要选择定义气体类型（空气），需要加一个HeatStack用于表示换热器外部，最后设置水泵运行转速就可以仿真了。

未完待续。。。

Amsim中有很多需要设置的参数，如上只是设置一部分，关于换热器的内部参数设定如何进行，还是需要再努力学习。

文章来源：有温度的汽车人