1.2　汽车热管理系统建模与仿真概述

1.2.1　一维热系统建模与仿真

汽车热管理技术的合理化应用可提高汽车整车能源利用效率，带来更优的节能环保性能，并帮助汽车使用者降低经济成本。随着可持续发展理念的普及，热管理系统成为汽车设计生产中的重要关注对象。为了实现更高效、可靠、环保的车辆性能，工程师日益依赖于先进的仿真软件，以支持他们对汽车热管理系统在各种条件下的性能进行评估和优化。在这一背景下，诸如AMESim、GT-SUITE等一维热系统仿真软件应运而生，它们为汽车热管理系统的仿真分析提供了强大的平台，是进行整车热管理系统设计必不可少的工具。

一维热系统仿真软件的主要功能在于模拟和预测汽车热管理系统的行为，从而帮助工程师更好地理解和解决系统中可能出现的问题。这些软件提供了多种建模和模拟功能，使工程师能够准确描述汽车热管理系统涉及的电池热管理系统、发动机热管理系统、座舱热管理系统、空调系统、电机/电控热管理系统等。

一维热系统仿真软件的关键特点包括：可以模拟多个物理场，如热传导、热对流、热辐射等，以更全面地描述热管理系统中的各种相互作用；可以建立详细的部件模型（即组件），包括散热器、风扇、冷却液循环系统等，以准确地模拟其性能和状态变化；允许将不同的组件集成到整车热管理系统中，以分析系统在各种条件下的综合性能；可以对系统参数进行优化和分析，以找到最佳的设计和工作参数，从而提高系统效率和性能。此外，这些软件通常提供直观的用户界面，使用户能够轻松地设置模型、运行仿真和分析结果。

一维热系统仿真软件包括多个功能模块，如系统建模、仿真设置、仿真运行、结果分析等。系统建模模块允许用户定义热管理系统的组件和连接关系；仿真设置模块提供参数设置和仿真条件配置功能；仿真运行模块用于进行热管理系统的仿真运行控制；结果分析模块用于展示仿真结果和生成图表报告。下面详细介绍常用的功能模块。

（1）系统建模模块：提供建立汽车热管理系统模型的工具和功能。用户可以选择不同类型的热管理系统组件（如散热器、冷却液循环系统、热交换器等）并配置其属性和参数。该模块还支持组件之间连线即连接关系的建立。

（2）仿真设置模块：允许用户设定热管理系统中各个组件的参数，如流量、温度、压力等。用户可以根据具体需求进行参数设置，并进行参数优化以找到最佳的系统配置和工作条件。

（3）仿真运行模块：用于启动热管理系统的仿真运行，并监视仿真过程。该模块提供仿真控制选项，如启动、暂停、停止仿真，并显示仿真时间、状态和进度等信息。

（4）结果分析模块：提供丰富的结果分析工具，以可视化和解释仿真结果。该模块包括绘图工具，用于绘制温度分布、流量曲线、能量平衡图等图表。此外，该模块还提供数据表格和统计分析功能，以便用户更详细地查看和分析仿真结果。

（5）优化模块：支持系统参数的优化和优化算法的应用。用户可以定义优化目标和约束条件，以及选择合适的优化算法。该模块可自动调整系统参数，以实现最佳性能和效率。

（6）可视化界面模块：提供直观和友好的用户界面，以便用户轻松地操作软件。该模块包括菜单栏、工具栏、状态栏等常见的界面元素，以及与其他模块的交互和集成窗口。

（7）模型库模块：提供预定义的组件和系统模型，以便用户快速创建和配置系统模型。该模块还包括汽车热管理系统的案例库，供用户参考和使用。

（8）导入和导出模块：支持导入和导出不同格式的数据及模型文件。用户可以导入已有的系统模型文件或实验数据，以及导出仿真结果和模型文件供其他软件使用。

总之，一维热系统仿真软件为汽车工程师提供了一个强大的工具箱，用于设计、优化和验证汽车热管理系统的结构及配置。通过使用这些软件，工程师能够更加精确地预测系统性能，加速创新，降低开发成本，并为现代汽车的高效、环保运行做出贡献。

1.2.2　三维热流体建模与仿真

三维热流体建模与仿真是一种利用计算机模拟技术对三维空间中的热流体行为进行分析和预测的方法。这种仿真方法结合了流体力学和热传导理论，能够准确地模拟流体在复杂几何形状中的流动和热传递过程，为工程设计和优化提供了重要参考。

当前比较常用的三维计算流体力学（CFD）软件有ANSYS Fluent、ANSYS CFX、STARCCM+、Comsol、OpenFOAM等。ANSYS Fluent提供了广泛的建模和仿真功能，拥有丰富的物理模型，在各行业都有比较广泛的用户群。ANSYS CFX基于有限元法实现仿真计算，在旋转机械领域有比较多的应用。STAR-CCM+是西门子公司旗下的一款通用CFD软件，在汽车行业有非常广泛的应用。Comsol是一款多物理场仿真软件，在多物理场耦合领域有非常广泛的应用。OpenFOAM是一款开源的CFD软件包，拥有丰富的物理模型，但是使用门槛相对较高。

三维热流体仿真软件QFLUX是深圳十沣科技有限公司开发的一款通用CFD软件。软件包含丰富的物理模型，可以用于各种汽车三维热流体仿真计算。本书进行的三维仿真均采用QFLUX软件。

QFLUX软件的三维热流体仿真包括网格处理、模型设置、仿真求解、后处理四个步骤（见图1-3）。

首先，在进行汽车三维热流体仿真之前，需要对仿真对象的几何模型进行网格划分。为了准确地捕捉流体的流动和热传输特性，网格划分需要确保模型的几何细节得到充分细化。利用QFLUX软件导入网格，并进行质量检查。

接下来是模型设置阶段。在QFLUX软件中根据具体问题的特点选择合适的湍流模型，如Spalart-Allmaras、k-ε、k-ω等。此外，还可以设置多相流、声学、辐射等物理模型。通过调整模型参数，确保仿真的准确性和可靠性。

仿真求解阶段是仿真的核心部分。QFLUX软件采用有限体积法对Navier-Stokes方程组进行数值求解，考虑了不同流动条件下的压力-速度耦合算法和多种湍流模型。在求解过程中，用户可以实时监控仿真的进展，并根据需要进行参数调整，以确保仿真结果的准确性和收敛性。

最后，通过后处理模块对仿真结果进行全面的分析和评估。通过可视化功能，生成如云图、矢量线、切面、等值面等图像结果，用户可以直观地了解汽车内部的流场和温度场分布情况。此外，后处理模块还具备数据统计功能，可提供优化设计所需的数据基础。

汽车三维热流体仿真是一项复杂而关键的工程任务，利用三维热流体仿真软件，可以模拟汽车内部各种热流体现象。仿真分析可以为优化设计方案提供参考，从而有效提高汽车的性能和能效。

1.2.3　一、三维联合建模与仿真

汽车热管理系统的一、三维联合建模与仿真将一维和三维仿真技术相结合，以获得更准确、更全面的汽车热管理系统性能预测和分析，这种技术既可以利用一维仿真软件对车辆整体的动态响应进行准确预测，又可以利用三维仿真软件对零部件进行精细的模拟仿真。联合建模与仿真具有良好的综合控制能力，可以提高汽车热管理系统仿真精度，解决热管理系统设计中的选型、分析和优化问题。

汽车热管理系统是机械、流动、传热、电气多学科耦合的复杂动态系统，汽车热管理系统建模需要面对多场景、多热源条件下的多尺度流动与传热问题，由于其极端复杂性，传统的建模流程会采用逐级分解方式，在系统级仿真尺度上使用一维热系统仿真工具，在部件级仿真尺度上使用三维热流体仿真求解器，但是这种不协同的仿真方式，无法保证仿真过程中环境和约束的一致性，不同尺度的仿真模型也无法相互验证，需要团队间的沟通和多轮设计迭代。一、三维联合建模与仿真是解决这一难题的有效手段，通过联合建模与仿真，将不同尺度的仿真模型进行联合，保证了环境和约束的一致性，提高了汽车热管理系统仿真的准确性，可以用较少的仿真次数在多个模型尺度上获得更多的信息，从而减少设计迭代次数，缩短产品开发周期。

在一、三维联合建模与仿真中，一维仿真软件用于系统级的多领域建模，可以对涉及流体、机械、电气等多个物理领域的动态系统进行稳态或瞬态仿真；三维仿真软件用于子系统或部件级的单物理场或多物理场仿真，可以对部件内部的流体流动、传热和传质等物理现象进行稳态或瞬态仿真。一、三维联合建模与仿真通过一定的接口技术，实现两种维度的模型之间的调度控制和实时数据交互。联合建模与仿真接口可能有多种不同的实现模式，从调用方式看，可以分为平台式和内嵌式；从运行方式看，可以分为离线协同式和在线协同式；从数据流向看，可以分为单向耦合式和双向耦合式；从数据更新方式看，可以分为实时同步式和离散更新式；从开放性看，可以分为私有接口和开放接口。

当前一些主流的仿真软件也支持一、三维联合建模与仿真，比如西门子公司的AMESim、MathWorks公司的Simulink等。

AMESim是一种工程系统高级建模与仿真平台，其建模方法基于功率键合图，但是提供了直观的图形界面，可实现面向原理图的建模。AMESim的模型库涵盖机械、电气、流体、传热、控制等多学科领域，在国内外汽车厂商的热管理系统一维仿真中有广泛的应用。AMESim内嵌了与三维仿真软件联合仿真的功能模块，采用了西门子公司的私有接口技术，主要适配西门子公司的三维软件如STAR-CCM+。其运行过程是一种主从模式，即由AMESim对联合仿真进行调度控制，并进行系统级仿真，而三维模型作为一个零部件嵌入系统模型，一维模型和三维模型之间进行双向的数据交互。

Simulink是一种通用的动态系统仿真工具，用于多域仿真及基于模型的设计，支持系统设计、仿真、自动代码生成，以及嵌入式系统的连续测试和验证。由于Simulink的开放性，因此也可以通过将物理模型转化为框图模型来完成热管理系统建模。Simulink具有一个开放的系统函数（S-function）接口，可以将外部代码方便地集成到其仿真平台中。因此，可将不同的仿真软件下的模型文件配置为S-function，由Simulink充当调度平台来协同不同仿真模型之间的数据交互。目前诸如GT-SUITE、AMESim、ANSYS Fluent、Comsol等仿真软件均主动适配了S-function接口。

为了消除不同仿真软件之间的接口差异，解决工具碎片化、模型重用和知识产权保护的问题，欧盟Modelisar项目提出了一种开放的联合仿真接口标准，即FMI（Functional Mock-up Interface）标准，其是一个不依赖于工具的标准。FMI标准通过XML文件和C代码或编译的二进制文件组合来同时支持动态模型的模型交换（Model Exchange）和联合仿真（Co-Simulation）这两种主要的仿真功能。该标准最早由达索集团和戴姆勒集团发起，在汽车和航空航天领域具有广泛应用，现已成为全球接受度最高、应用最广泛的中立模型交互重用的接口标准之一。通过支持FMI标准，可以最大限度地保证仿真软件与其他外部软件的交互接口通用性，目前主流的商业仿真软件如AMESim、Simulink、GT-SUITE、ANSYS Fluent大都支持FMI标准。

一、三维联合建模与仿真作为一种相对高阶的仿真手段，已经在汽车热管理的不同场景下有了一定的应用。比如整车气动与热管理系统一、三维联合建模与仿真（见图1-4），在该仿真场景下一维发动机冷却系统模型和空调系统模型采用AMESim建模，三维发动机舱整车模型采用STAR-CCM+建模，一维模型和三维模型之间通过AMESim内部的联合模块进行调度和数据交互，交互的物理部件为散热器，即将三维模型中的散热器作为一个零部件嵌入并替换掉一维模型中的散热器，散热器的空气侧和冷却液侧都由三维模型仿真计算。一维模型仿真获得的冷却液流量、入口温度和出口压力作为边界条件输入至三维模型中，而三维模型仿真获得的换热量作为反馈量输入至一维模型中再重新计算相应的冷却液流量、入口温度及出口压力，如此往复，此过程为一维和三维数据的双向传递。