电池热管理三维仿真流程：几何与网格处理

做三维仿真，最关键的就是做网格，一般计算不收敛,计算缓慢和计算结果异常等问题第一个需要检查的就是网格质量。传统意思上的CAE仿真前处理就是网格划分，但往往由于到手的三维数模存在缺失面、重复面和多余的几何特征等问题，不能直接网格化，所以需要几何清理将数模处理到可以划分网格的程度。

电池热管理仿真几何清理也是一样，需要将模组的结构简化，至于液冷方式的电池包，还需要对软管与接头的干涉，快插公头与母头装配间隙等进行前处理才能抽取完整的水流道。今天主要来介绍款笔者认为比较好用的前处理软件SCDM，并对Fluent meshing，Star-ccm+和Hypermesh等常见的网格划分工具做些简单的对比介绍。

图1 电池温度场流场耦合仿真

（一）几何清理：SCDM

SCDM全称是SpaceClaim DesignModeler，是CAD软件公司SpaceClaim为ANSYS开发3D前端处理应用，集成在Workbench平台下。该软件的最大特点，或者是最好用之处是直接建模，可以对导进来的CAD模型直接进行拉伸、填充和切割等处理，智能化程度较高，听说最新版本的SCDM已经可以画网格，也是逆天。下面来简单讲讲几个好用的功能：

1）拉动：能直接对面进行拉伸操作，对线进行倒圆角操作，对拉伸的距离定义功能也较丰富，自定义距离、直到下一个面等，配合拉伸选项，能做切除、复制等操作。
 

图2：对液冷管进行拉伸

2）填充工具：能快速去除各种几何特征，多余的面，圆角变直角等，一键完成，前处理神器；
 

图3 ：去除多余的特征面    

3）剖面：几何清理中也应用比较多，特别是看模型的干涉，内部间隙等，可以基于某些特征面创建剖视图，并且能对这些剖面进行移动和旋转等。
 

图4 ：快插接头剖视图  

4）流体抽取工具：做CFD仿真比较关注的一个点是流体域，SCDM提取流体域的鲁棒性比较好，在模型有干涉的情况只要内表面封闭都可以提取流体域，并且提取流体域的方式较多，根据面、边、封闭曲面或者矢量面都可以提取，选择面的话需要跟选择矢量面一起用，而一般用选择边就可以，直接选取进出口的圆边。

图5 ：选取进口的边用于提取流体域

5）文件选项：另外SCDM支持的CAD文件类型较多，市面上常见的格式都能识别，模型导出功能也比较强大，可以对模型进行定义细节，保证模型特征传递到下游CFD软件。

图6：SCDM导出STL的文件选项

  （二）网格划分：
 

1）Fluent meshing
 

Fluent在14.5版本的时候集成了Fluent meshing功能（前身是TGrid），并在17.0版本的时候迎来大更新，包括界面更新，基于不同区域的体网格划分和支持多面体网格划分等功能的上线。这几年，ANSYS公司一直主推Fluent meshing，说是高级网络划分工具，但笔者感觉也不难上手，在使用Fluent meshing以后基本放弃ANSYS mesh了。最新版19.2已经上线类似Star-ccm+的流程式操作，这个跟ANSYS Workbench下仿真流程很像，该步骤完成会有√提示，直观易懂。

图7 ：Fluent meshing操作界面

在不需要额外清理几何清理的提前下，Fluent meshing生成网格只要几步：用Join/Intersect做压印处理，然后创建Inlet和Outlet将流体域封闭，生成相应的Regions，设置网格及边界层尺寸后就能完成划分网格操作，另外生成网格速度较快，主视图区不同网格类型用不同颜色加以区分，比较直观。

图8：流体域网格示例

划分网格肯定离不开网格质量这个话题，改善网格质量最直接的方法就是减小基础网格尺寸，或者采用局部网格加密的办法，但同时也会增加网格数量，从而增加计算时间。Fluent meshing里有个检查网格质量的功能，一般将skew控制在0.85~0.9以下。另外可以通过Auto Node Move自动优化网格节点提升网格质量，但若低于目标质量的网格数量太多，还是需要返回到几何处理，减少些特征，或者加密网格了。

2）Star-ccm+
 

Star-ccm+近几年被西门子收购，放在西门子的Simcenter平台下，是CAE仿真中CFD的代表工具。Star-cc+的最主要特点是所有操作都在同一个界面下进行，集成化程度相当高，所以使用起来非常方便，而且极易上手，按照界面左侧的模型树从几何到Region，再到仿真，一步步往下做就可以了。记得曾经有位同事，在其他CFD仿真软件操作经验的基础上，三天就让Star-ccm+运算起来了。

不过Star-ccm+这个模型树也有个不方便的地方，就是层级太多，展开以后至少4-5层（如下方右侧图），有时候设置些边界条件容易迷失，需要适应下。

图10 ：Star-ccm+的模型树与展开

Star-ccm+划分网格有两种形式，基于Parts的网格划分（PBM，Parts Based Meshing）与基于Region的网格划分（RBM，Region Based Meshing）。两者在基本网格尺寸控制上思路是一样的，Base size，mini surface size和边界层数等都一样，而自定义控制（Custom controls）略有区别，PBM可以直接选择所要控制的Surfaces，而RBM是需要到相应的Surfaces下面进行网格设置。总体来讲，PBM的灵活程度高一些，因为本身在Star-ccm+里面Parts就是比较粗糙的面网格，可以直接对网格进行操作，另外通过记录Operations的操作，只要Parts更新，生成的体网格也会更新。

图11：PBM和RBM自定义网格的设置区别

Star-ccm+也有类似Fluent meshing的网格质量统计的工具，控制网格根据如下建议值来判断：

• 0.93 to 0.95 for face validity；

• 1e-6 to 1e-9 for Min cell quality；

• 1e-3 to 1e-4 for Min volume change；

•  ＜85° for Max boundary skewness angle.

对于网格质量较差的单元，Star-ccm+是采用移除的方式，而不是优化节点，这是跟Fluent meshing不一样的地方。

  图12：Star-cmm+移除无效网格
 

（三） Hypermesh
 

最后讲下Hypermesh，Hypermesh和ANSA一样是比较经典的手动前处理工具，从几何清理到网格划分可以在同一界面下完成。Hypermesh从最基本的点线面进行处理，自由度较高，并且可以自由拉动网格节点，可以说没有hypermesh处理不了的模型，没有hypermesh画不出的网格。Hypermesh在结构仿真，振动噪声和整车碰撞等多个领域应用广泛，随着CFD自动网格技术的日趋成熟，Hypermesh在流体仿真中应用相对来说少一点。

但笔者曾经实践过，做过液冷方案开发的工程师应该都有体会，水冷板流道和布置的设计方案经常变，但是模组都是标准模组，一旦选定型号基本不会变，所以笔者根据这个特（niao）质（xing）用Hyepermesh画出了软包模组全六面体网格，只用Fluent meshing处理液冷板数模，两者再用Interface连接，总体来在前处理上说效率要高很多。

图13：Hypermesh与Fluent联合仿真示意图

（四）总结
 

总体来说，SCDM作为几何清理工具还是比较好用的，优势在于去除特征面和几何尺寸调整；而Fluent meshing和Star-ccm+的网格划分功能自动化程度较高，两者使用起来区别不大，该有的功能都有（这两家公司也是“相爱相杀”多年，传说Star-ccm+是Fluent被ANSYS收购时，主力团队跳槽到CD-Adapco开发出来的）；而Hypermesh/ANSA作为传统前处理工具，由于是手动控制，网格划分自由度非常高，但有时效率相对来说低一点。

图14： 各软件应用优势

但笔者想说的是，一个软件单打独斗的时代已经过去，文中提到的Fluent meshing和Star-ccm+都自带功能强大的面网格修补工具，但在OEM、Tier1等应用端工程师还是偏向于将模型用前处理工具清理完再导入到Fluent meshing或Star-ccm+等其他仿真软件进行后续操作，发挥各软件的优势。做三维仿真需要CAD软件与CAE软件配合，一维系统仿真也是如此，一维模型（热、电、流场和动力模型等）都需要三维仿真或者试验数据进行标定。

图15：各类仿真工具耦合示例

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删