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热模拟中常见的“五宗罪”,你中招了吗?

        复杂的热环境对汽车以及其他很多产品的热性能会产生什么样的影响?对此,当今的工程人员与设计师越来越多地通过样机、测试、检验和实验等手段,对上述热问题进行模拟仿真。虽然这些热模拟手段旨在有效地节省制造时间和经费,但在模拟过程中五种常见的错误往往会浪费更多经费,在设计周期中增加额外的时间,最终影响产品性能。

        下面就是常见的这“五宗罪”:

1、    当需要瞬态分析时仍进行稳态分析

        无论是从节约成本还是减少模拟的复杂性考虑,简化测试方案都非常具有诱惑性,人们也自然而然地想到采用稳态分析。这样,很多人都错误地将模拟环境建成了一个“平衡”或是“稳态”状态。

        但是真实世界不是一成不变的,大家生活在一个瞬息万变的世界。举个例子来说,汽车对于动态作用力的反应能力就会影响到它的性能。

        有时大家会在一小段距离内不断地启停,有时又会长时间以恒定的速度驾驶;有时大家重载上坡,有时又会下坡滑行;有时大家在冰冷的夜晚驾驶,有时又在一天中高温的时候出去高速行驶。

        为反映汽车在实际中的使用情况,有一个能进行瞬态分析的工具就非常重要,因为只有这样才能非常好地模拟汽车的真实状况。否则,会设计并制造出一个“浪费能量的产品”。比如说,HVAC系统设计出的功率比实际需要的功率更大,或者添加了一个不必要的隔热件或是防护罩——最终都会产生额外的设计、制作以及材料成本。

2、    为了节省时间和经费而减少分析工况的数量

        工程师常常将减少热模拟中的设计变量作为节约设计成本的一种途径,而用“最坏情况”取而代之,希翼通过选择较宽的取值范围来弥补设计变量少的不足,但是这种想法往往最终被证明都是错误的。

        例如,有时工程师会通过高速驾驶对高性能车辆进行测试,检测苛刻条件下的性能表现。然而,对于热模拟来说,高速也许不是苛刻的条件,因为当汽车高速行驶时存在大量的气流可以冷却发动机。这样就会导致过设计或欠设计,因为使用条件是基于直觉的猜想,而不是对真实情况的模拟或是测试。

        因此,热模拟需要采用高效的快速分析App对高保真模型进行仿真,考虑全部变量和测试情况。否则可能会错过设计后期才会暴露出来的潜在问题。到那时,设计更改的代价会更昂贵,而且影响整个项目的周期,最终既不能节省时间也不能节省经费。

3、    应用物理假设而忽略特殊情况

        对测试环境进行假设非常有用,也可能节约时间。但是,这样做同样存在风险和不准确性——尤其是没有考虑到特殊情况的时候。拉斯维加斯的Vdara酒店就是很好的例子。这个设计声称完美曲面的全玻璃幕墙。然而,该设计并没有在实际环境中进行热模拟,而最终证明代价是昂贵的。在建筑物的凹面,太阳光在一天内的某些时候会集中在一处,导致酒店前的一块区域非常热而住客无法使用。TAI的热设计专家表示,如果设计中建立一个热模型,完整模拟一天内各时刻的情况,考虑玻璃的曲率对太阳光的聚焦效果,那么这个特殊的热场景就可以被预测到,从而避免将这种设计付诸实践。遗憾的是,酒店设计方面没有进行热模拟,而是不幸地得到了 “死亡射线酒店”的绰号。

        这种情况在酒店设计中非常常见,而且在别的应用中也是普遍存在的。比如,遮阳伞或是遮阳蓬的反射表面,会将光和热反射到未曾预料到的地方,除非准确地模拟或测试。

4、    评价HVAC采用固定的温度水平而不是实际的舒适度水平

        测试汽车的空调系统能否将温度控制到23度是一回事,而人在车中是否真正舒适则是另一回事。伯克利舒适性模型能够基于生理的指标明确评估预测乘客的舒适度,考虑人对环境因素的生理反应,比如人员在进入车辆前的新陈代谢热量、颤抖、呼吸、血管扩张或收缩、出汗、衣着以及乘客的活动量等。

        实际上,最近的研究表明,达到舒适的时间会随着各种因素的变化而变化,如乘客活动量。在这一点上,包括亚洲城ca88唯一官网在内的很多单位的技术人员都知道,基于环境测试的温度指标与基于生理的舒适度指标是不一致的。

        采用相对简单的环境控制策略,对人体舒适评估的不准确会导致更高的能耗,或是无法通过可靠高效的方法使得乘客感到舒适。

5、    工具没有耦合或耦合不够充分

        工程技术人员已经开始意识到将热分析与CFD工具耦合,是模拟热动力学模型更可靠的途径。在热与CFD的联合仿真方面,也能考虑更多的变化。

        然而,大家必须要知道的是,目前CFDApp在瞬态分析方面的计算量巨大,所以单独仿真可能会得到不准确的热结果。比如,在汽车机舱内,有三个不同的因素影响热交换——发动机本身的热辐射、部件之间相互接触的热传导以及流动复杂的气流引起的热对流——在车辆实际驾驶过程中它们都会在大小和持续时间上不断变化。

        因此,何时进行耦合、使用什么工具耦合同样重要。设计周期的早期进行耦合,可以做一个测试并将结果用作下一个测试的边界条件。在设计周期中持续这个流程能得到“虚拟样机”——设计阶段进行模拟和仿真,能够显著节约从概念到成型的时间,节省大量经费。

        如何避免这些错误?瞬态分析采用高保真的热模型和高效的求解器。

        通常情况下,“稳态”分析类似于“原始”测试实验室,提供了一些有用数据,但也忽略真实世界中存在的许多元素。

        瞬态分析则更准确地复现、模拟和预测了真实的场景。更真实的结果也意味着更低的生产成本、快速而更准确的设计以及用户更好的性能体验。

 

更多参考信息请点击:

http://www.thermoanalytics.com/blog/post/5-most-common-mistakes-engineers-make-thermal-modeling

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