汽车工业 automotive industry
1. 引言
随着全球汽车产业的持续演进和科技革命的加速推进，汽车行业正经历着前所未有的深刻变革。客户需求多样化、产品迭代周期缩短、法规标准日趋严格、节能减排迫切要求，与此同时，研发成本高、生产效率低、质量控制难、系统集成复杂等问题，仍是制约企业发展的重要瓶颈。
海基科技集二十多年工程研发、项目咨询的经验，从汽车行业实际业务需求出发，结合最佳实践，能够为客户提供国内领先的技术支持与服务，助力中国汽车产业迈向高质量发展的新阶段。
2. 海基典型汽车工业应用方向
1） 汽车泵阀等零部件性能分析
汽车泵阀等零部件性能仿真分析是现代汽车设计和开发过程中不可或缺的一部分，通过计算机辅助工程（CAE）技术模拟泵阀等零部件在各种工况下的行为，包括结构分析（静态分析、动态分析、疲劳分析）、流体分析、多体动力学分析、电磁场分析等等，帮助工程师优化设计、提高性能并确保安全性和可靠性。
2） 活塞头部喷油冷却分析
在高性能发动机中，燃烧室内的高温高压环境对活塞顶部施加了极大的热负荷。传统的冷却方式（如通过缸壁传导散热）往往不足以应对这种极端条件，因此需要额外的冷却措施来保护活塞免受过热损害。活塞头部喷油冷却是一种先进的冷却技术，可有效降低活塞顶部的温度，防止过热并提高发动机的可靠性和效率。通过CFD分析，可以深入理解该技术的工作原理及其对发动机性能的影响，帮助工程师优化设计，提高发动机的整体性能和可靠性。
3） 通用齿轮CFD分析解决方案
通用齿轮包括不同种类的内外啮合齿轮模型，例如内/外齿轮、正/斜齿轮和螺杆机械等，通用齿轮的CFD（计算流体力学）分析主要用于研究齿轮在运行过程中与润滑介质（如润滑油或润滑脂）之间的相互作用，以及由此产生的热传递和流体动力学效应。这种分析对于优化齿轮设计、提高效率、减少磨损和延长使用寿命至关重要。
4） 换热器模拟
车辆换热器模拟是汽车热管理系统中的一个重要环节，它通过计算流体力学（CFD）和其他仿真技术来优化设计和性能。车辆换热器包括但不限于散热器、冷凝器、蒸发器和油冷器等组件，它们在发动机冷却、空调系统以及变速器油温控制等方面起着至关重要的作用。
5） 电机冷却分析
电机在运行过程中会产生大量的热量，尤其是在高负荷条件下，如果这些热量不能及时有效地散发出去，会导致过热损坏、效率下降、寿命缩短、安全性风险等问题。因此，有效的冷却系统对于维持电机的最佳工作温度至关重要。
6） 整车发动机舱通风模拟
1.技术难点：
几何处理：整车零部件众多，提取几何域时往往会存在许多小缝隙或重叠部分，这些缺陷给网格划分造成很大难度，而手动修复这些缺陷几乎是不可能的，这就要求所采用的CFD软件在划分网格时具备较好的处理几何缺陷的能力;
几何特征表达：划分网格时要求软件具有自动加密功能，使网格模型能精确表达原始的CAD模型；
所有部件的网格数加起来将达到千万级，对于这样庞大的网格模型，要求采用的CFD软件具有快速稳定的求解器，才能对设计更改做出有意义的预测和评估。
2.解决方案：
如何高效快速建模是主机厂商一直头疼的问题。Simerics-MP+软件为了解决目前发动机舱通风传热仿真难点，开发了专门的模板Vehicle Template，前处理时间可减少至传统的1/4左右，大大提升了前处理效率。
Simerics-MP+采用自适应二叉树网格技术，在一定程度上能容忍“烂”几何，在划分网格前的几何修复工作非常少，可直接用原始CAD画网格，大大节约了工程师的时间；同时Simerics-MP+采用最小网格尺寸控制，可实现自适应加密功能，精确表达原始几何；
Vehicle Template根据发动机舱的几何尺度，自动设置网格解析尺度，精确表达诸如进气格栅灯等位置的几何特征；
Vehicle Template将模型设置流程化，自动引导用户设置风扇、散热器、进出口参数设置，极大程度上壁免人工设置出错；
Simerics-MP+求解器是在传统的 CFD 求解器基础上进行开发和改进，将其最新的数值技术与Simerics-MP+专有算法相结合，建立了一个比其它竞争对手更快速、更稳健的数值模拟工具。
7） 整车涉水仿真
雨天道路积水，汽车会以不同速度通过不同积水深度的道路。特别是对于越野车辆，汽车涉水能力直接影响发动机的寿命。因此，在汽车研发阶段，需要对汽车的涉水通过性进行研究，CFD方法是较为经济普遍的方法。通过模拟，可观测水是否会进入发动机进气口，甚至通过空气滤。
8） 风挡除冰除霜应用
车辆风挡除冰除霜是确保在寒冷天气条件下驾驶安全的关键技术之一，去除或防止风挡玻璃上的冰雪和霜冻，从而保证驾驶员的视线清晰。利用具有相变的共轭传热模拟仿真，预测挡风玻璃上的冰融化所需要的时间。
车窗水管理是确保车辆在各种天气条件下，尤其是雨天或清洗时，驾驶员和乘客拥有清晰视野的关键。有效的车窗水管理系统不仅能够提高驾驶安全性，还能增强乘坐舒适度，并保护车内电子设备免受水分侵害。采用CFD技术对车辆雨水管理系统进行建模，预测流体通过不同排水口情况。
发动机燃烧室内的混合气和燃烧后的废气会顺着活塞和气缸体的内壁漏入曲轴箱内，造成窜气，从而稀释机油、降低机油使用性能、加速机油氧化、变质和增加消耗；如有酸性气体混入还会加速发动机零部件的腐蚀和磨损；窜气还会使曲轴箱压力过高而破坏曲轴箱的密封，使机油渗漏流失。介于以上原因，必须实行曲轴箱通风。而由于环保的原因，现代汽车上一般都采用强制曲轴箱通风系统，将这些进入曲轴箱的气体导入进气歧管，使其重新燃烧，这样既可减少排气污染又可提高发动机经济性，因此目前多采用强制式通风。
11） 基于CFD的发动机系统级分析
发动机润滑系统是确保发动机内部组件正常运行、延长使用寿命和提高效率的关键部分。它不仅减少了摩擦、冷却了关键部件、清洁了内部环境，还在一定程度上起到了密封和防锈的作用。忽视润滑系统的维护会导致严重的机械故障，增加维修成本，并可能对环境造成负面影响。采用CFD手段对汽车润滑系统中的若干部件同时进行模拟，获得系统各性能指标，可以有效指导润滑系统的设计优化。
汽车发动机冷却系统是确保发动机在各种工况下能够稳定运行的关键子系统之一。它不仅对发动机的性能和寿命有着直接影响，还关系到车辆的安全性和燃油经济性。通过CFD分析，工程师可以深入了解冷却系统内部的流动特性和热传递效率，从而对冷却系统进行针对性的设计改进和优化。
3. 成功案例
1） 冷却水泵CFD模拟
冷却水泵通常为离心式结构，通过CFD仿真可以帮助用户工程师在泵物理原型实验之前，快速分析其性能，包括：
预测空化
计算汽蚀余量
计算流量-扬程曲线
获得泵的有效功率及效率
监测泵内压力波动……
离心泵模型 离心泵网格
流量-功率曲线对比 流量-效率曲线对比
流量-扬程曲线对比
离心泵流场压力分布（考虑间隙）
2） 外齿轮泵CFD模拟
通过CFD对外齿轮泵模拟，可实现泵内流量、空化、效率的精确模拟，并通过模拟结果间接指导泵的优化设计。如下图为某外齿轮机油泵结构模型及提取出的流体域模型，采用CFD对该齿轮泵进行数值模拟，其数值模拟结果与试验值相比误差很小。
齿轮泵几何模型
数值模拟结果
3） 活塞头部喷油冷却分析
根据活塞喷油冷却结构设计的不同，一般可分为以下几种典型设计：
有/无环形冷却通道
喷嘴直喷/斜喷
无冷却通道 有冷却通道
共轭传热数据传递
共对三种不同的设计方案进行了模拟计算，并与试验结果进行对比验证。分别如下：
NT：无环形油液冷却通道，倾斜喷射
GT：有环形油液冷却通道，倾斜喷射
GS：带环形油液冷却通道，直喷
对应的流体部分的几何模型如下：
几何模型
网格模型
计算条件如下：
|
活塞类型 |
发动机转速[RPM] |
油流量
（ |
油温
（ |
|
NT |
2500 |
1 |
1 |
|
GT |
2300 |
0.75 |
1.1 |
|
GS |
3500 |
0.825 |
1.01 |
燃烧产生的热通量 活塞内衬温度
冷却通道的油液体积分数 冷却喷嘴带走的热量
活塞固体的温度分布
活塞固体多个位置监测点的温度结果与试验数据对比
4） 换热器模拟
采用CFD技术，分析冷却介质在换热器内的流动情况及其对传热的影响。
管壳式换热器流场及温度场云图
换热功率、出口温度仿真值与试验值结果对比
5） 水箱加注过程模拟
水箱加注过程模拟是汽车热管理系统设计和优化中的一个重要方面，它涉及到确保冷却系统能够在车辆运行期间维持适当的冷却液水平，同时避免空气滞留或形成气穴等问题。通过仿真技术，可以优化加注过程，提高效率，减少维护需求，并确保系统的长期可靠性。
不同时刻水等值面云图
出口流量变化 体积分数变化
6） 电机冷却模拟
利用Simerics-MP+软件，建立具有共轭传热的完整三维电机模型，包括所有绕阻、转子和定子层压板等所有重要部件，流体域和固体域分别建立仿真模型，采用混合时间尺度进行流固共轭传热分析。
共轭传热迭代次数与流固温度变化
油液等值面云图
不同界面油液体积分数云图
绕阻中热电偶位置处24种不同条件下测试数据与仿真数据结果比较
7） Simerics-MP+整车发动机舱通风模拟
Simerics-MP+除自适应网格加密外，也可支持多重区域网格加密功能，且结合Simerics-MP+的网格记忆功能，可实现整车气动模拟的模板化。下图中该整车网格模型体网格总数为46170349。
整车网格模型
速度和压力云图分布 不同部位压力分布
机舱散热器通风量误差
8） Simerics-MP+整车外气动仿真
DrivAer车是Audi A4与BMW结合的汽车模型，具有公开、完善的外气动试验数据。DrivAer具有三种车型：Fastback、Notchback、Estateback，如下所示。
DrivAer试验模型 三种车型
采用Simerics-MP+对三款DrivAer车型进行了整车外气动计算，并与试验结果进行比对，吻合度非常高，完全适用于工程精度要求。
Notchback车型Y=0截面车顶压力系数对比 Notchback车型Y=0截面车底压力系数对比
三款车型风阻系数结果对比
9） Simerics-MP+整车涉水仿真
汽车涉水仿真技术受到VOF模型鲁棒性、求解速度的限制。Simerics-MP+的先进处理方法在于：
利用vehicle template mesher直接生成整车网格，不需繁琐的几何清理；
VOF模型鲁棒性极高，解算速度快；
灵活处理需要网格加密的区域，最大程度减少网格量与计算时间；
可在模型中同时考虑风扇和车轮的运动。
整车网格解析
机舱进水分布情况预测
10） 缸发动机润滑系统仿真中的应用
该案例来自凯特比勒公司，如下图所示，该16 缸发动机润滑系统由油泵、控压阀，过滤器，冷却器，主油道和连杆油膜等众多部件组成。其网格总数 600万。
发动机润滑系统三维仿真计算模型
发动机润滑系统整体网格
空化体积分数分布 压力分布（箭头处为监测点）
对监测数据进行无量纲分析，并与试验数据进行对比可知，CFD计算结果与试验结果吻合度较高，可以有效指导该类型系统的设计优化。
无量纲压力值的仿真结果与试验结果
|
位置 |
泵出口 |
油冷器出口 |
油滤器入口 |
油滤器出口 |
主油道 |
|
CFD 计算值 |
0.479 |
0.411 |
0.394 |
0.378 |
0.378 |
|
试验值 |
0.489 |
0.431 |
0.409 |
0.386 |
0.386 |
|
对比误差 |
2.0% |
4.6% |
3.7% |
2.1% |
2.1% |
