star ccm 汽车液冷电机热仿真13讲：一种激进的瞬态仿真方法

课程介绍：

新能源汽车的电动机具有功率密度大、体积小型化的特点，但也因工作环境封闭，导致发热问题严重，需要额外冷却流道强制对流散热来保证电机可靠的运行，电机散热成为电机结构设计的重要内容。

       模拟电机多相流冷却非常耗时，多相流仿真需要较小的时间步长和数百转才能达到统计的稳定状态，固体温度的模拟需要更长的时间尺度（数分钟），使用瞬态方法直接模拟几乎是不切实际的，因此在液冷电机的仿真中，需要提高仿真效率。

课程大纲

       本教程提供了一种激进的瞬态仿真方法，采用混合多相流方法（MMP）结合大尺度交界面检测 (LSI) 模型，加速固体热扩散方法进行液冷电机的仿真。

液冷电机

       混合多相 (MMP)模型适用于离散多相混合物建模，其中相混合由加权物理属性表示。可以将混合物的一组质量、动量和能量守恒方程进行求解，并求解相体积分数的传输方程。大尺度交界面检测 (LSI)模型可检测包含相间大交界面的网格单元组。通过使用大尺度交界面检测(LSI)模型，MMP的功能不仅扩展到对混合物建模，还能对分层流体建模。这两种模型的组合也称为MMP-LSI，可以捕捉不同的共存流区域，如自由表面流、离散液滴和离散气泡。MMP相间相互作用不需要固定离散相和连续相。在计算域的某些部分，主相可以离散，而在另一部分，次相也可以离散。MMP-LSI可用于模拟蒸发器、石油管道或核应用等CFL数较高的多相应用，即允许在相交界面附近使用更大的时间步和更粗糙的网格，而不会影响工程物理量（例如扭矩）的结果精度。

       电机模型如图，电机包含转子轴、转子铁芯、转子磁钢、静子外壳、静子线圈、静子铁芯。模拟开始时，油相通过轴上的孔，从轴的中心进入电机内部；在电机内部，转子快速旋转会产生油滴和气泡的混合物，油和空气建模为不可压缩液体和气体，多相混合物使用MMP-LSI通过自适应界面锐化（ADIS）方案对清晰的交界面进行建模。因此，油的体积分数将动态演示油-空气交界面的瞬态演变，在转子的影响下形成的分层流和离散流。

电机模型

       在进行油冷电机仿真时，使用旋转参考框架，尽量不要把旋转域与静止域的交界面设在空气间隙的中间，如果转子表面有槽，则可以把交界面设在空气间隙的中间，否则最好设在转子的外表面。如果可能，避免交界面平行与旋转轴，在固体转子和静止空气的交界面上使用周向热流平均模型。

       为加速固体热扩散，可以将热扩散系数设为较高的值，以减少达到稳定状态所需的物理时间，这里可以将固体的密度设置为一个非常小的值来实现；固体密度不要使用太大的值，值越大固体达到热平衡的时间越长；密度越低，对温度的响应时间越快，可以将计算密度设为实际密度的1/1000，可以得出合理的结果，如果密度太小，则会产生不合理的峰值噪音。

       仿真模型模型由西门子工业软件提供。

       软件版本为STAR-CCM 2302。

计算完成时，分析液冷电机的温度和油的体积分数。

可以看到电机的铁芯处温度较高，在喷油位置温度较低。

油从转轴内部和静子的喷油口进入，对电机进行冷却后从底部的排油口流出。

总结

       采用混合多相流方法（MMP）结合大尺度交界面检测 (LSI) 模型，加速固体热扩散方法进行液冷电机的仿真，允许在相交界面附近使用更大的时间步和更粗糙的网格，能加速仿真进程，使液冷电机的仿真能够工程应用化。