CN115964891A - 一种汽车风扇的仿真分析方法、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车风扇的仿真分析方法、装置及存储介质，其包括如下步骤：S1，建立基础整车分析模型；S2，建立风扇独立分析模型；S3，建立风扇缺省的整车分析模型；S4，对基础整车分析模型进行分析求解，得到初始流场信息；S5，风扇独立分析模型进行分析求解，得到风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界；S6，风扇缺省的整车分析模型分析求解得到流场信息；S7，通过风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型多次耦合求解计算直至收敛，得到收敛后的整车流场温度场分析结果。其能够在保证计算效率的同时提高计算精度，准确模拟风扇气动性能。

Description

一种汽车风扇的仿真分析方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及汽车风扇气动性能评估领域，具体涉及汽车风扇的仿真分析方法、装置及存储介质。

背景技术

汽车冷却风扇的作用是加速空气流动，提升高低温散热器、冷凝器等散热性能，同时对于机舱整体环境及其零部件进行降温散热，作为汽车机舱气流动力源泉，风扇模型的选择至关重要，对于机舱气流流动以及热量扩散起到至关重要的作用，风扇模型的计算精度直接决定了整车机舱流场及其温度场的分析精度。

计算流体力学中模拟风扇旋转效应的方法主要有三种，分别为滑移网格法(rigidbody)、风扇动量源法(fanmomentumsouFce)、多重参考系法(movingreferenceframe，MRF)。风扇动量源法适用于无风扇实体模型，是依赖实验数据进行风量的模拟，出风不真实，不适合常规工程分析应用。滑移网格法RBM适用于瞬态计算，网格实时运动，真实模拟风扇叶片旋转，计算精度高，但耗费计算资源较多。多重参考系法MRF适用于稳态分析，MRF法的核心思想是将旋转区域单独分割开来设定局部坐标系，计算时网格并非真实运动而是通过旋转局部坐标系产生离心力和哥氏作用力从而达到风扇旋转的效果，行业内分析应用较广，但精度不是很高，对于机舱局部流动影响较大，尤其对于冷却模块散热器上下集成布置的结构，上下层温度分布差异较大，MRF风扇模型对于整车流场、温度场分析精度影响较大。

行业内对于风扇算法研究比较少，CN112445467A公开了一种汽车风扇模块软件生成方法，包括以下步骤：在Simulink环境下建立汽车风扇模型，其中，汽车风扇模型包括输入部分、逻辑功能控制部分和输出部分；在逻辑功能控制部分建立逻辑功能控制子模块；测试所建立的汽车风扇模型是否正确；如果所建立的汽车风扇模型正确，则获取基于Simulink的控制算法软件程序代码；进行代码的整合集成；将集成好的代码在汽车控制器中进行实验验证。可实现对仿真模型以及不同程序的一键编译和链接，能够解决从算法仿真模型到软件代码需要人为转换的问题，从而能够避免后期人为编程的错误，保证生成软件的正确性，提高软件开发的效率，并且能够保证生成软件具有模块化、层次化、逻辑功能清晰以及可读性强的特点。仅是对于风扇进行模块化处理，并未深入进行实际风扇模型气动性能算法研究。为了提升整车发动机舱流场、温度场分析计算精度，同时规避RBM算法耗时较长缺陷。CN112949224A公开了一种基于响应面模型的小型风冷内燃机冷却风扇优化设计方法，其包括如下步骤：S1，参数化设计风扇三维模型；S2，冷却风扇流场数值模拟分析，采用CFD数值模拟方法对风扇进行流场分析，获取风扇静压、流量、静压效率参数；S3，试验测试对比模拟仿真结果，判断模拟分析的可靠性；S4，基于Isight软件搭建风扇多目标优化设计平台，集成风扇三维数字化设计软件CATIA与数值模拟综合分析软件ANSYSWorkbench；S5，选取风扇叶片结构主要几何参数为设计变量，最优拉丁超立方方法试验设计样本矩阵；S6：批量求解响应面近似模型样本点数据；S7：基于样本分析数据,建立响应面近似模型；S8：运用遗传算法探索冷却风扇几何结构优化设计，找出最优设计。该方法通过建立响应面近似数学模型获得风扇性能参数和风扇几何结构参数之间的量化关系，运用遗传算法获取冷却风扇结构最优设计。包括：参数化设计风扇三维模型，数值分析风扇流场，获取风扇性能参数，并进行验证；选取风扇叶片几何参数为设计变量，风扇性能参数为输出结果，采用最优拉丁超立方方法进行样本采集试验设计，批量模拟分析风扇流场；根据结果数据建立响应面近似模型，以静压和流量为目标函数、静压效率为约束函数，搭建风扇多目标优化设计平台，运用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对冷却风扇结构参数进行寻优分析，通过帕雷托(Pareto)解集，得到最优风扇结构设计方案。不失为本领域的一种有益尝试。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车风扇的仿真分析方法、装置及存储介质，其能够在保证计算效率的同时提高计算精度，准确模拟风扇气动性能。

本发明所述的汽车风扇的仿真分析方法，其包括如下步骤：

S1，建立基础整车分析模型，所述基础整车分析模型包括风扇核心旋转区域、风扇旋转效应影响区域、风扇上游缓冲区域、风扇下游缓冲区域以及主流区风扇局部区域，所述主流区风扇局部区域为与风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域连接的边界外框；

S2，建立风扇独立分析模型，所述风扇独立分析模型包括风扇核心旋转区域、风扇旋转效应影响区域、风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域；

S3，建立风扇缺省的整车分析模型，即将基础整车分析模型去除风扇核心旋转区域、风扇旋转效应影响区域，保留风扇上游缓冲区域、风扇下游缓冲区域及其他全部组件；

S4，对基础整车分析模型进行分析求解，得到风扇独立分析模型初始边界和风扇缺省的整车分析模型的第一初始边界；

S5，风扇独立分析模型接收基础整车分析模型的风扇独立分析模型初始边界进行分析求解，得到风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界；

S6，向风扇缺省的整车分析模型导入风扇缺省的整车分析模型的第一初始边界和风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界，分析求解得到流场信息；

S7，通过风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型多次耦合求解计算直至收敛，得到收敛后的整车流场温度场分析结果。

进一步，所述S4中基础整车分析模型采用MRF算法进行分析求解。

进一步，所述S5中风扇独立分析模型采用RBM算法进行分析求解，求解完成后根据field means操作获得相关物理量信息，通过场函数进行时均化处理，获得时均化处理后的计算物理量，导出得到风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界。

进一步，所述S2中的风扇独立分析模型的风扇核心旋转区域以包络风扇叶片区域为准。

进一步，风扇旋转效应影响区域包括风扇核心旋转区域外围，且风扇旋转效应影响区域与风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域存在连接面进行连接，风扇旋转效应影响区域前侧向风扇框架前侧内侧面延伸，风扇旋转效应影响区域后侧包括风扇框架、风扇电机及隔热罩，尽量向车体后侧延伸，以避免与风扇后机舱部件干涉为准。

进一步，风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域均为厚度为5～8mm薄层结构。

进一步，所述S2中的风扇独立分析模型的风扇核心旋转区域采用Rotation运动模型，通过interface建立风扇核心旋转区域、风扇旋转效应影响区域、风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域间的数据传递。

进一步，所述S4中的风扇独立分析模型初始边界包括风扇独立分析模型上游初始边界表、风扇独立分析模型下游初始边界表；所述S4中的风扇缺省的整车分析模型的第一初始边界包括风扇缺省的整车分析模型第一上游初始边界表、风扇缺省的整车分析模型第一下游初始边界表；所述S5中的风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界包括风扇缺省的整车分析模型第二上游初始边界表、风扇缺省的整车分析模型第二下游初始边界表。

进一步，所述S6得到的流场信息为风扇独立分析模型上游边界表、风扇独立分析模型下游边界表。

进一步，所述S7中的耦合具体为：先将流场信息即风扇独立分析模型上游边界表、风扇独立分析模型下游边界表导入风扇独立分析模型进行分析求解，得到风扇缺省的整车分析模型上游边界表、风扇缺省的整车分析模型下游边界表；

再将流场信息、风扇缺省的整车分析模型上游边界表、风扇缺省的整车分析模型下游边界表掺混后导入风扇缺省的整车分析模型进行分析求解，实现风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型的耦合求解。

一种汽车风扇的仿真分析装置，其能够实现如本发明所述的汽车风扇的仿真分析方法，包括：模型建立模块，用于建立基础整车分析模型、风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型；分析求解模块，用于对基础整车分析模型、风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型进行分析求解，得到流场信息。

一种存储介质，其内存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如本发明所述的汽车风扇的仿真分析方法。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果。

1、相较于现有的MRF和RBM单独算法，本发明能够在保证计算效率的同时得到高精度的风扇气动性能表现，为准确预测机舱气流流动和温度分布提供了一种精准、可靠的新方法，计算时长与行业MRF算法相当，约为RBM算法时长的1/6。

2、本发明采用的RBM准稳态算法精度达到了全模型RBM瞬态算法的95％以上，相比MRF算法计算精度是大幅提升的。因为RBM算法网格实时运动，真实模拟风扇叶片旋转。MRF模型通过在旋转参考系中应用网格通量来工作，该旋转参考系应用于包括扇形几何体的区域。风扇的旋转效果通过旋转参考系和非旋转全局参考系之间的相对旋转来建模，风扇绝对速度转化为相对速度公式，并利用相对速度求解旋转坐标系内的动量方程。因此对于风扇上下游区域周围背压条件不均匀，采用MRF模型赋予的旋转是不充分的，其风扇上下游出风气流流动捕捉是不准确的。采用本发明提出的汽车风扇的仿真分析方法，风扇上下游位置出风气流流动更精确，尤其是针对发动机顶端气流区域、底端气流区域都有很明显的捕捉。对于以往很难解决的后排发动机热静置风险高的问题以及底盘部件即悬置胶垫部件、各种胶套、球头等天然橡胶部件材料限值低热保护风险高的行业通用难题都找到了切实可行的有效工程解决方案。

3、本发明向风扇缺省的整车分析模型导入风扇缺省的整车分析模型的第一初始边界和风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界，分析求解得到流场信息，即风扇缺省的整车分析模型首次分析求解的流场信息包括两部分，一部分来自基础整车分析模型分析求解得到的风扇缺省的整车分析模型的第一初始边界，一部分来自风扇独立分析模型分析求解得到的风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界。理论上仅采用来自风扇独立分析模型导出的流场信息也是可以进行求解计算的，但是模型计算不稳定，通过调整流场信息掺混因子操作，模型更稳定，收敛速度更快。

附图说明

图1为本发明的实施流程图；

图2为基础整车分析模型的风扇区域半截面图；

图3为基础整车分析模型的主流区风扇区域剖面图；

图4为风扇独立分析模型与风扇缺省的整车分析模型边界数据交互示意图；

图5为风扇出风流场分布图；

图6为采用常规MRF算法的风扇出风流场分布图。

图中，1—风扇核心旋转区域，2风扇旋转效应影响区域，3—风扇上游缓冲区域，4—风扇下游缓冲区域，5—主流区风扇局部区域，

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，所示的汽车风扇的仿真分析方法，其包括如下步骤：

S1，将整车的三维CAD数据导入STARCCM+软件中，完成几何清理后，建立基础整车分析模型。参见图2和图3，所述基础整车分析模型包括风扇核心旋转区域1、风扇旋转效应影响区域2、风扇上游缓冲区域3、风扇下游缓冲区域4以及主流区风扇局部区域5，所述主流区风扇局部区域5为与风扇上游缓冲区域3和风扇下游缓冲区域4连接的边界外框。

S2，建立风扇独立分析模型，所述风扇独立分析模型包括风扇核心旋转区域、风扇旋转效应影响区域、风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域。风扇核心旋转区域以包络风扇叶片区域为准；风扇旋转效应影响区域包括风扇核心旋转区域外围，且风扇旋转效应影响区域与风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域存在连接面进行连接，风扇旋转效应影响区域前侧向风扇框架前侧内侧面延伸，风扇旋转效应影响区域后侧包括风扇框架、风扇电机及隔热罩，尽量向车体后侧延伸，以避免与风扇后机舱部件干涉为准；风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域均为厚度为5～8mm薄层结构。

所示风扇核心旋转区域采用Rotation运动模型，通过interface建立风扇核心旋转区域、风扇旋转效应影响区域、风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域间的数据传递。

S3，建立风扇缺省的整车分析模型，即将基础整车分析模型去除风扇核心旋转区域、风扇旋转效应影响区域，保留风扇上游缓冲区域、风扇下游缓冲区域及其他全部组件，这样风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型共同拥有了风扇上游缓冲区域、风扇下游缓冲区域，便于后期进行数据交换耦合计算。

S4，对基础整车分析模型采用MRF算法进行分析求解，得到风扇独立分析模型初始边界和风扇缺省的整车分析模型的第一初始边界，即风扇独立分析模型上游初始边界表、风扇独立分析模型下游初始边界表、风扇缺省的整车分析模型第一上游初始边界表、风扇缺省的整车分析模型第一下游初始边界表，以风扇独立分析模型初始边界作为风扇独立分析模型首次分析计算的初始边界条件，以风扇缺省的整车分析模型的第一初始边界作为风扇缺省的整车分析模型的初始边界条件。

S5，风扇独立分析模型接收基础整车分析模型的风扇独立分析模型初始边界采用RBM算法进行分析求解，求解完成后根据fieldmeans操作获得相关物理量信息，通过场函数进行时均化处理，获得时均化处理后的计算物理量，导出得到风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界。

S6，向风扇缺省的整车分析模型导入风扇缺省的整车分析模型的第一初始边界和风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界，通过FieldFunction建立相关物理量函数，实现流场信息掺混。分析求解得到流场信息，所述流场信息为风扇独立分析模型上游边界表、风扇独立分析模型下游边界表。

S7，先将流场信息即风扇独立分析模型上游边界表、风扇独立分析模型下游边界表导入风扇独立分析模型进行分析求解，得到风扇缺省的整车分析模型上游边界表、风扇缺省的整车分析模型下游边界表。再将流场信息、风扇缺省的整车分析模型上游边界表、风扇缺省的整车分析模型下游边界表掺混后导入风扇缺省的整车分析模型进行分析求解，实现风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型的耦合求解。类推，即将风扇缺省的整车分析模型上次分析求解得到的流场信息和基于该流场信息的风扇独立分析模型分析求解得到的风扇缺省的整车分析模型上游边界表、风扇缺省的整车分析模型下游边界表进行耦合，求解计算直至收敛，即通过风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型多次耦合求解计算直至收敛，得到收敛后的整车流场温度场分析结果。风扇出风流速分布参见图5，相比起行业内常规MRF算法风扇出风图6，图5所示的风扇采用真实风扇旋转模型进行计算，风扇出风更加接近真实情况，风扇出风整体更加均匀，受风扇框架辐条影响更准确。

一种汽车风扇的仿真分析装置，其能够实现如本发明所述的汽车风扇的仿真分析方法，包括：模型建立模块，用于建立基础整车分析模型、风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型；分析求解模块，用于对基础整车分析模型、风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型进行分析求解，得到流场信息。

一种存储介质，其内存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如本发明所述的汽车风扇的仿真分析方法。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种汽车风扇的仿真分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，建立基础整车分析模型，所述基础整车分析模型包括风扇核心旋转区域、风扇旋转效应影响区域、风扇上游缓冲区域、风扇下游缓冲区域以及主流区风扇局部区域，所述主流区风扇局部区域为与风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域连接的边界外框；

S2，建立风扇独立分析模型，所述风扇独立分析模型包括风扇核心旋转区域、风扇旋转效应影响区域、风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域；

S3，建立风扇缺省的整车分析模型，即将基础整车分析模型去除风扇核心旋转区域、风扇旋转效应影响区域，保留风扇上游缓冲区域、风扇下游缓冲区域及其他全部组件；

S4，对基础整车分析模型进行分析求解，得到风扇独立分析模型初始边界和风扇缺省的整车分析模型的第一初始边界；

S5，风扇独立分析模型接收基础整车分析模型的风扇独立分析模型初始边界进行分析求解，得到风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界；

S6，向风扇缺省的整车分析模型导入风扇缺省的整车分析模型的第一初始边界和风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界，分析求解得到流场信息；

S7，通过风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型多次耦合求解计算直至收敛，得到收敛后的整车流场温度场分析结果。

2.根据权利要求1所述的汽车风扇的仿真分析方法，其特征在于：所述S4中基础整车分析模型采用MRF算法进行分析求解。

3.根据权利要求1或2所述的汽车风扇的仿真分析方法，其特征在于：所述S5中风扇独立分析模型采用RBM算法进行分析求解，求解完成后根据fieldmeans操作获得相关物理量信息，通过场函数进行时均化处理，获得时均化处理后的计算物理量，导出得到风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界。

4.根据权利要求1或2所述的汽车风扇的仿真分析方法，其特征在于：所述S2中的风扇独立分析模型的风扇核心旋转区域以包络风扇叶片区域为准。

5.根据权利要求1或2所述的汽车风扇的仿真分析方法，其特征在于：所述S2中的风扇旋转效应影响区域包括风扇核心旋转区域外围，且风扇旋转效应影响区域与风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域存在连接面进行连接，风扇旋转效应影响区域前侧向风扇框架前侧内侧面延伸，风扇旋转效应影响区域后侧包括风扇框架、风扇电机及隔热罩，尽量向车体后侧延伸，以避免与风扇后机舱部件干涉为准。

6.根据权利要求1或2所述的汽车风扇的仿真分析方法，其特征在于：所述S2中的风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域均为厚度为5～8mm薄层结构。

7.根据权利要求1或2所述的汽车风扇的仿真分析方法，其特征在于：所述S2中的风扇独立分析模型的风扇核心旋转区域采用Rotation运动模型，通过interface建立风扇核心旋转区域、风扇旋转效应影响区域、风扇上游缓冲区域和风扇下游缓冲区域间的数据传递。

8.根据权利要求1或2所述的汽车风扇的仿真分析方法，其特征在于：所述S4中的风扇独立分析模型初始边界包括风扇独立分析模型上游初始边界表、风扇独立分析模型下游初始边界表；

所述S4中的风扇缺省的整车分析模型的第一初始边界包括风扇缺省的整车分析模型第一上游初始边界表、风扇缺省的整车分析模型第一下游初始边界表；

所述S5中的风扇缺省的整车分析模型的第二初始边界包括风扇缺省的整车分析模型第二上游初始边界表、风扇缺省的整车分析模型第二下游初始边界表。

9.根据权利要求1或2所述的汽车风扇的仿真分析方法，其特征在于，所述S6得到的流场信息为风扇独立分析模型上游边界表、风扇独立分析模型下游边界表。

10.根据权利要求9所述的汽车风扇的仿真分析方法，其特征在于，所述S7中的耦合具体为：先将流场信息即风扇独立分析模型上游边界表、风扇独立分析模型下游边界表导入风扇独立分析模型进行分析求解，得到风扇缺省的整车分析模型上游边界表、风扇缺省的整车分析模型下游边界表；

再将流场信息、风扇缺省的整车分析模型上游边界表、风扇缺省的整车分析模型下游边界表掺混后导入风扇缺省的整车分析模型进行分析求解，实现风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型的耦合求解。

11.一种汽车风扇的仿真分析装置，其特征在于：能够实现如权利要求1至10任一项所述的汽车风扇的仿真分析方法，包括：

模型建立模块，用于建立基础整车分析模型、风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型；

分析求解模块，用于对基础整车分析模型、风扇独立分析模型和风扇缺省的整车分析模型进行分析求解，得到流场信息。

12.一种存储介质，其特征在于：其内存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1至10任一项所述的汽车风扇的仿真分析方法。

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