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AMESim发动机舱传热解决方案
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作者：newmaker　　出处：佳工机电网　　阅读：1387　　推荐：0
伴随车辆功能的增加，子系统越来越多也更加复杂，而多系统的并存必然存在着相互协调的问题。需要协调控制各子系统相适应于车辆大系统以及外部环境变化，根据实时工况协调各机构最佳匹配，AMESim针...
引言：伴随车辆功能的增加，子系统越来越多也更加复杂，而多系统的并存必然存在着相互协调的问题。需要协调控制各子系统相适应于车辆大系统以及外部环境变化，根据实时工况协调各机构最佳匹配，AMESim针对车辆的复杂系统提供了一系列完整、有效的解决方案。
AMESim系统仿真平台凭借技术上的独特优势，在世界范围内得到整车以及车辆零配件供应商的青睐。作为通用的多学科领域复杂系统建模与仿真平台，AMESim包含液压、机械、信号控制、两相流等一系列专业应用库，而众多专业应用库是基于大量来自不同物理领域的、经过验证的元件模型集合。在AMESim平台上，工程师通过交互的图形界面将机械、液压或电控等多领域系统简化成由标准的单元体组成的简化力学和控制系统数学模型来描述系统工作过程和结果。对于复杂系统来说，AMESim帮助工程技术人员实现在统一的平台上建模，仿真及分析系统的多学科耦合特性。
在空间相对狭小的车用发动机舱内，错综布置着发动机、散热器、空调冷凝器、机油冷却器、中冷器及EGR冷却器等。车内各个子系统在整车热环境内相互影响、相互干涉，其流动与传热过程非常复杂，直接影响着燃油消耗率、排放性能、安全性能和舒适性能等重要指标。因此，在现今的发动机设计过程中，单独考虑冷却、润滑及空调等单个子系统已不具备实际意义，必须将车内各个热系统进行集中考虑，在一个统一的平台上进行综合的系统集成匹配与优化，才能满足最终的整车设计要求。AMESim为工程师提供了一个先进的多领域仿真平台，可以进行包括冷却系统、润滑系统、空调系统和进排气系统等多个热系统在内的集成仿真分析，并提供了HEAT（Heat Exchanger Assembly Tool）库用以解决发动机舱内的复杂流动与传热。
开发HEAT库的目的是为专门解决诸如汽车发动机舱等狭小空间内的流动与传热问题，并且可以辅助工程师在产品开发的不同阶段完成相应的任务，使发动机舱的设计、空间布置等工作一次成功。利用HEAT库，工程师可以研究发动机舱内不同空间布置关系间的影响，并在整车测试循环内精确评估各个子系统的热状态，确保车内各系统均保持在正常的范围内运行。
除AMESim提供的标准冷却系统、润滑系统及空调系统等系统建模和仿真功能外，HEAT库提供了发动机舱3D设计与分析能力，如图1所示。通过HEAT库，工程师可以对发动机舱的三维空间进行设定，并根据各个部件间的相对位置、流道结构自动地对其相互影响进行计算，充分考虑发动机舱内流动与传热的不均衡性影响。
图1 HEAT库3D设计与分析能力
散热器、机油冷却器及空调冷凝器等部件之间的相对位置和几何尺寸是影响发动机舱内部流动与传热的首要因素，散热器间的重叠使冷却风流道产生了很大的不均衡性，各处的流场与温度场均发生很大的变换。
如图2（a）所示，假设部件1为空调冷凝器，部件2为机油冷却器，部件3为散热器。三个部件相互平行的布置于发动机舱前端，迎风为X轴方向，根据三个部件的位置关系及大小，冷却风流道可以划分为如图2（b）所示的四个区域，每个区域内的流动与传热状态均不相同，即使在同一区域内，受散热器内部流道形式的不同，其表面热分布也非常的不均衡。HEAT库为工程师提供了一个完备并且简单易用的工具，充分考虑这些因素的影响，使发动机舱的流动与传热分析、结构优化设计变得简单可行，最终结果能够满足整体设计要求。
图2 发动机舱位置关系
在AMESim部件参数表中，可以很容易地根据发动机舱实际布置关系，设定好各个部件的空间坐标及几何尺寸，包括部件的空间坐标X、Y、Z以及尺寸参数长、宽及厚度等，如图3所示。
图3 AMESim空间坐标设定
AMESim可以自动地根据各个部件的位置关系及几何尺寸，完成流道的网格划分。如图4所示，AMESim自动完成了网格的划分，在不同的网格区域考虑流动与传热的不均衡性。
图4 自动网格划分
除空间位置外，散热器内部的流动形式也会产生流动与传热的不均衡性，如散热器内部的流道结构I型、U型及蛇型等流道均会对换热结果产生影响，AMESim对此均给予了充分考虑。图5所示为U型流道的计算结果，可见沿流动方向，冷却液的温度逐渐降低，但散热器表面的温度并不均衡，入口处的温度较高，而在同一侧的出口处的温度则较低。
图5 U型流道温度分布
在AMESim中可以很容易地对流动结构进行设定，包括流道数量、入口位置及每个流道的管路数量等，如图6所示。
图6 散热器内部流道的设定
除散热器之间的相互流动与传热不均衡外，发动机舱的冷却风入口处边界往往也存在较大的不均衡性。发动机舱前端通常设置有进风格栅，高速运行的汽车前端为湍流流动，经过格栅的扰动，其流动通常更加不均衡，如图7所示的CFD计算结果。
图7 发动机舱迎风边界CFD计算结果
在AMESim中可以以数据表格的形式设定迎风边界条件，在边界网格内输入该点的边界值，网格与网格之间设定不同的数值，这样可以真实地设定发动机舱流动的边界条件。图8为轴对称双风扇所产生的速度边界场。在AMESim中一共有两种边界条件可供用户设定：速度边界和压力边界。速度边界适合诸如汽车发动机舱等结构紧凑的布置形式，此时各处的速度场较易确定；压力边界适合布置距离较大的形式，如图9所示。
图8 速度边界模式
图9 压力边界模式
图10为应用AMESim的HEAT库进行仿真计算后的结果，可见散热器表面温度分布的不均衡性，在区域4（三个散热器重合处）温度最高，区域2、3（两个散热器重合处）温度较低，而区域1处温度最低，即使是在区域1，由于散热器内流动形式的不同，其温度也并不完全一致。
图10 算例结果
综上所述，车用发动机舱布置十分紧密，众多部件间流动与传热相互耦合、相互影响，各部件的空间位置、几何尺寸及内部流道形式均对结果产生非常大的影响。AMESim的HEAT库为工程师提供了一个完备并且简单易用的工具，充分考虑这些因素的影响，使发动机舱的流动与传热分析、结构优化设计变得简单可行，最终结果能够满足整体设计要求。
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基于 AMESim发动机冷却系统匹配仿真分析
讨论发动机冷却系统匹配的基本思路和方法，以AMESim为仿真平台输入发动机、风扇、散热器等冷却系统相关部件模型，系统分析冷却系统工作状况。分析结果为冷却系统的优化匹配提供依据。
Abstract：
This article discusses the basic ideas and methods of engine cooling system matching, and systematically analyzes the working conditions of cooling system by inputting models of engine, fans, radiators and other cooling system related compo-nents based on AMESim simulation platform.The results provide the basis for optimal matching of the cooling system.
XU Li-ping
作者单位：
广州工程技术职业学院,广东 广州,510900
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Powered by基于AMESim的汽车发动机冷却系统仿真分析--《长安大学》2014年硕士论文
基于AMESim的汽车发动机冷却系统仿真分析
【摘要】：随着汽车发动机强化程度的不断提高，致使发动机冷却系统部件普遍存在匹配不佳和冷却液温度过高的问题。因此，对发动机冷却系统进行整体匹配优化改进，是解决高功率发动机冷却性能问题的关键，不仅可以保证发动机可以在最佳的温度范围内工作，而且还能有效提高冷却系统效率，改善发动机的性能。本文采用模拟仿真的方法，运用AMESim仿真软件，对一台型号为L416VSOHC的发动机进行了冷却系统研究和探讨，为发动机冷却系统的匹配和分析提供一种切实可行的方法。具体的研究内容如下：
（1）分析发动机冷却系统在设计时的总体和部件要求，阐述冷却系统设计的有效性并确定匹配时计算工况点的确定，详细论述发动机冷却系统各部件的选型和设计方法。然后依据相关计算公式对选定发动机的冷却系统进行散热器、风扇、水泵等主要参数的计算匹配。
（2）简化选定发动机的冷却系统结构得到其结构模型，结合各部件的具体要求使用AMESim仿真软件对其建立一维仿真模型，并利用相关数据和公式完成各个模块的标定。
（3）论证仿真模型的正确性之后，改变冷却系统模型中发动机转速、水泵流量、散热器效率、冷却液、暖风系统等部分参数，完成相关仿真并对结果进行对比分析，得到不同参数对发动机冷却系统的影响。
（4）检验为选定发动机匹配的冷却系统能否满足不同工况下的冷却要求并提出需要改进的系统参数，最后测试当汽车在高温、爬坡等比较苛刻的工作条件下所匹配的冷却系统的工作情况，为发动机冷却系统的匹配提供依据和检验方法。
【关键词】：
【学位授予单位】：长安大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：U464.138【目录】：
摘要4-5Abstract5-9第一章 绪论9-17 1.1 前言9 1.2 发动机冷却系统国内外研究现状及发展趋势9-16
1.2.1 冷却系统智能性和可控性10-11
1.2.2 调整冷却系统的温度设定点11
1.2.3 优化发动机冷却机理11-12
1.2.4 组织优化发动机冷却介质流动12-14
1.2.5 发动机热管理技术研究14-16 1.3 本论文的主要研究内容16-17第二章 发动机冷却系统介绍17-26 2.1 发动机冷却系统概述17-23 2.2 发动机冷却系统的影响因素23-24 2.3 冷却系统的评价体系24-25 2.4 本章小结25-26第三章 发动机冷却系统设计及参数匹配26-36 3.1 冷却系统设计要求26-27
3.1.1 冷却系统总体设计要求26
3.1.2 对冷却系统部件的基本要求26-27 3.2 冷却系统设计的有效性和计算工况点的确定27 3.3 发动机冷却系统部件的选型和设计27-30
3.3.1 散热器的选型和设计27-28
3.3.2 风扇的选型和设计28
3.3.3 补偿水桶的选型与设计28-29
3.3.4 水泵的选型与设计29
3.3.5 冷却液管的选型与设计29
3.3.6 其它设计要点29-30 3.4 发动机冷却系统主要性能参数的确定30-31
3.4.1 发动机参数30
3.4.2 发动机水套散热量30
3.4.3 散热器的最大散热量30
3.4.4 沸腾风温30-31
3.4.5 系统压力31 3.5 冷却系统仿真参数的匹配计算31-35
3.5.1 散热器的匹配31-33
3.5.2 风扇的匹配33-34
3.5.3 水泵的匹配34-35 3.6 本章小结35-36第四章 发动机冷却系统仿真模型的建立36-46 4.1 仿真软件简介36-37
4.1.1 AMESim 包含的软件包36-37
4.1.2 软件特点分析37
4.1.3 AMESim 建立冷却系统模型的步骤37 4.2 发动机冷却系统仿真模型的建立37-44
4.2.1 冷却系统主要子模型及相关计算37-42
4.2.2 冷却系统其他子模型介绍42-44 4.3 冷却系统模型的建立44-45 4.4 本章小结45-46第五章 发动机冷却系统仿真分析46-59 5.1 冷却系统在不同工况下的仿真分析46-52
5.1.1 稳态工况的仿真分析46-47
5.1.2 不同工况点的对比仿真分析47-49
5.1.3 组合工况点的对比仿真分析49-51
5.1.4 汽车处于标定工况下的仿真分析51-52 5.2 不同条件对冷却效果的影响仿真分析52-57
5.2.1 暖风系统的影响分析52-53
5.2.2 冷却液的影响分析53-55
5.2.3 散热器效率的影响分析55-56
5.2.4 水泵流量的影响分析56-57 5.3 苛刻情况下冷却系统冷却能力的检验分析57-58 5.4 本章小结58-59结论与展望59-61 1.结论59 2.展望59-61参考文献61-63攻读硕士学位期间取得的研究成果63-64致谢64
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西门子面向广大学生免费提供LMS Imagine.Lab Amesim学生版
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】&我来说两句：()&
先晒一辆拉风的赛车&&
酷吗？其实，它既不是法拉利车队的一员也不属于红牛，而是完完全全出于法国里昂中央理工学院的一群大学生之手。是什么让大学生们设计出这样一款外观和性能都超级酷炫的赛车，并在全球大学生方程式汽车大赛中赢得佳绩？他们的&武器&就是&&
&Siemens PLM LMS Amesim软件&&
这款软件有何特别之处？作为系统建模与仿真平台，其实LMS Amesim软件已经在全球范围内被汽车、航空及其他高端产业的OEM或制造商广泛使用了，可以说它已经成为全球设计师的必备工具。它最大的特点就是，可以进行机械学、电力学、液压学、气动学、热力学等跨学科的复杂系统级开发。而这正是里昂中央理工学院的学生选择它作为赛车设计工具的原因之一。
让我们来看看里昂中央理工学院学生对
LMS Amesim软件的评价吧
LMS Amesim软件系统级开发的特点使研发效率最大化。利用它可以建立精确的发动机机械模型，实现了低成本且无缝应用车辆动力电路、生产效率和车辆环保型这三方面的挑战。
LMS Amesim界面直观，容易上手，重要的是，它包含许多经过验证的多学科模型，不但为团队减少了大量建模时间，还能帮助团队对复杂的物理现象进型分析。利用LMS Amesim的优化进气和排气系统，让发动机功率增加了5马力。
已经有越来越多未来工程师与LMS Amesim结缘，这里面也包括中国大学生。戳链接视频，让我们来听听他们怎么说。
百闻不如一试
看了这么多，是不是自己早已等不及跃跃欲试？好消息来了：现在西门子面向广大学生免费提供LMS Imagine.Lab Amesim学生版，同学们只需在官网填写信息并提交申请，得到授权后就可以永久免费试用啦！
如果您不是学生，赶紧把这个消息转给您身边的学生朋友吧~
马上访问下方链接按钮，申请LMS Imagine.Lab Amesim学生版的免费License吧&&
http://www.plm./zh_cn/academic/resources/lms/amesim-student-registration.shtml}