ultraFluidX做动力舱热仿真，CFD应用案例

1、动力舱热仿真的任务

动力舱是车辆，船舶，重型机械等装备的核心部位，通过 CFD 数值模拟，精准分析舱内温度场与流场的分布，主要完成以下设计目标：

• 优化热管理与散热设计，识别过热区域，评估并优化散热方案（如风道、冷却系统布局），防止设备性能下降或损坏；
• 协同布局与风道设计，确保气流顺畅到达关键部位，减少回流和短路；
• 换热器优化，提升传热效率，降低流动阻力；
• 风扇优化，匹配系统阻力特性，实现高效低噪运行。

2、ultraFluidX 模拟动力舱流场和温度场的优势

2.1 节省大量 CFD 建模时间

动力舱结构复杂，包含动力设备、冷却系统、传动系统、进排气系统，壳体等复杂几何特征。传统网格法 CFD 需要简化模型，网格质量优化等操作耗费大量人工时间。LBM 方法“无网格”的特点，最大程度保留原始 CAD 特征，允许部件穿透、干涉，STL 三角形面仅用于定义壁面形状，无须高质量面网格。

2.2 稳健的瞬态高精度求解

LBM 方法是天然弱可压缩求解，全显式时间推进方法，不存在隐式迭代发散的问题。LES 大涡模拟准确捕捉流动细节。LBM 法直接求解温度方程，无须耦合其他求解器。

2.3 快速设计迭代

设计变动，如调整格栅或风扇，仅须替换部件，参数设置，格子生成，求解，后处理报告生成完全批处理自动化。

传统 CFD 模型的面网格

LBM 求解器的面网格

3、传统网格法 CFD vs. LBM

4、演示案例

• 机舱尺寸的长宽高为3.6*2.2*1.8米，风扇直径1米；
• 风扇的上下游各有2个换热器，外部空气从上游格栅吸入，从左右两侧和下游的格栅排出；
• 换热器1已知发热功率，换热器2已知入口冷却液温度；
• 排气管，发动机表面，油底壳表面分别设置高温边界条件，环境温度30℃；
• 分别计算风扇旋转（强制冷却）和静止（自动对流）两种工况。

动力舱外观

在HyperMesh CFD中导入CAD，采用Discrete→Surface→Rigid Body 方式生成 STL 三角形表面。

发动机装配体可以采用 CAD Wrapper 方式进行快速包面处理，保留几何特征，并自动缝合间隙，封闭管路进出口。

CAD STL 面网格

叶片通常比较薄，Rigid Body 面网格参数设置 element size=5mm，feature angle≈1~5°，确保 STL保留重要高曲率变化面特征。

CAD（左） STL面网格（右）

设置虚拟风洞的尺寸，基准格子尺寸Far Field=256mm，动力舱Box多层加密，壁面offset加密=2mm，风扇旋转区域加密4mm。

设置风扇旋转 OSM 模型。

风扇转动 OSM 模型

设置壁面温度边界条件。

排气管表面温度

发动机表面温度

壁面边界条件设置

设置空气属性和重力方向。

换热器参数设定：

• 粘性和惯性阻力系数；
• Constant Heat Power 或 Coolant Temperature；
• 冷却液流量，比热容；
• Heat Coefficients 定义换热器性能；
• 换热器芯上游约5~10mm位置设置监测面，统计入口面的空气属性，用于热平衡计算。

换热器的设置

换热器1的性能参数

换热器2的性能参数

5、换热器计算原理

5.1 Constant Coolant Temperature 模式

• 用户指定冷却液入口温度，求解器计算换热器的实际换热功率和冷却液的出口温度；
• 上游监测面用于统计来流空气的速度，密度和温度；
• 换热功率Q (h0/h1/h2为用户输入的换热系数)；

冷却液出口温度。

5.2 Constant Heat Power 模式

• 用户指定换热功率，求解器计算冷却液的进/出口温度；
• 上游监测面用于统计来流空气的速度，密度和温度；

• 空气侧温升

  • 冷却液的进出口温度

设置Section Cut的位置，保存水平和垂直2个切面数据的频率和变量名称。

设置Run time物理时长，和Scaling factor系数：

• 温度场计算通常5~60秒之间，Scaling factor设置2~5，可以加速计算。

Thermal Model：

• 强制冷却Passive scaler；
• 自然对流Boussinesq。

为了加速计算，可以先采用粗格子，虚拟风扇（P-Q曲线）模型快速计算，获得近似结果。再将结果映射到细密格子，OSM风扇动网格模型计算，最终获得高精度结果。（详见在线帮助Expert Parameters章节的<initialization> - <seeding>功能）

本案例粗格子模型voxel为5百万，物理时间18秒，4v100计算1.6小时；精细格子模型voxel为8千万，物理时间3.8秒，4v100计算12小时。

6、ultraFluidX 分析结果后处理

垂直切面的格子分布

水平切面的格子分布

6.1 强制冷却工况，风扇500RPM

垂直切面的瞬态风速

垂直切面的瞬态温度

风扇从环境吸入空气，由于挡板的封闭作用，冷空气先全部穿过换热器1的芯部，流经发动机热表面，从两侧格栅排出一部分热空气，最后再经换热器2和格栅排出。

水平切面的瞬态风速

水平切面的瞬态温度

ultraFluidX求解器输出换热器的性能参数在工作目录的uFX_monitoringSurfaces\uFX_monitoring_surface.txt

换热器1冷却液进出口温差约10℃

换热器2功率约10.8kw

6.2 自然对流工况，风扇静止，发动机表面高温

垂直切面的瞬态风速

垂直切面的瞬态温度

水平切面的瞬态温度

7、总结

ultraFluidX 采用 LBM 方法分析动力舱温度场和流场：

• 快速评估换热器性能，精确计算流经换热器的空气流量、温差以及换热效率，例如分析通过增大格栅开口和加装导流罩来增加新风量，从而提升换热器散热效率；
• 评估热气回流现象，防止加热后的空气没有顺利排出机舱，反而再次被吸入冷却模块前端，降低换热效率；
• 识别机舱内对高温敏感或易受热影响的部件（如线束、ECU、电池包等），并预测其在极端工况（如风扇停转）的温度水平，评估是否存在过热风险（热害分析）；
• 几何无须简化，快速评估复杂装配体内部的实际流动状态和温度场。在关键区域（如换热器表面、格栅进口、风扇周围）进行非常精细的空间离散，并基于多 GPU 并行加速计算，整体仿真效率优于传统网格法 CFD。

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