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          經緯恒潤描述熱模擬中常見的“五宗罪”

          教育裝備采購網 2016-03-18 15:26 圍觀578次
            復雜的熱環境對汽車以及其他很多產品的熱性能會產生什么樣的影響?對此,當今的工程人員與設計師越來越多地通過樣機、測試、檢驗和實驗等手段,對上述熱問題進行模擬仿真。雖然這些熱模擬手段旨在有效地節省制造時間和經費,但在模擬過程中五種常見的錯誤往往會浪費更多經費,在設計周期中增加額外的時間,終影響產品性能。


            下面就是常見的這“五宗罪”:

            1、 當需要瞬態分析時仍進行穩態分析

            無論是從節約成本還是減少模擬的復雜性考慮,簡化測試方案都非常具有誘惑性,人們也自然而然地想到采用穩態分析。這樣,很多人都錯誤地將模擬環境建成了一個“平衡”或是“穩態”狀態。

            但是真實世界不是一成不變的,我們生活在一個瞬息萬變的世界。舉個例子來說,汽車對于動態作用力的反應能力就會影響到它的性能。

            有時我們會在一小段距離內不斷地啟停,有時又會長時間以恒定的速度駕駛;有時我們重載上坡,有時又會下坡滑行;有時我們在寒冷的夜晚駕駛,有時又在一天中熱的時候出去高速行駛。

            為反映汽車在實際中的使用情況,有一個能進行瞬態分析的工具就非常重要,因為只有這樣才能非常好地模擬汽車的真實狀況。否則,會設計并制造出一個“浪費能量的產品”。比如說,HVAC系統設計出的功率比實際需要的功率更大,或者添加了一個不必要的隔熱件或是防護罩——終都會產生額外的設計、制作以及材料成本。

            2、 為了節省時間和經費而減少分析工況的數量

            工程師常常將減少熱模擬中的設計變量作為節約設計成本的一種途徑,而用“壞情況”取而代之,希望通過選擇寬的取值范圍來彌補設計變量少的不足,但是這種想法往往終被證明都是錯誤的。

            例如,有時工程師會通過高速駕駛對高性能車輛進行測試,檢測苛刻條件下的性能表現。然而,對于熱模擬來說,高速也許不是苛刻的條件,因為當汽車高速行駛時存在大量的氣流可以冷卻發動機。這樣就會導致過設計或欠設計,因為使用條件是基于直覺的猜想,而不是對真實情況的模擬或是測試。

            因此,熱模擬需要采用的快速分析軟件對高保真模型進行仿真,考慮全部變量和測試情況。否則可能會錯過設計后期才會暴露出來的潛在問題。到那時,設計更改的代價會更昂貴,而且影響整個項目的周期,終既不能節省時間也不能節省經費。

            3、 應用物理假設而忽略特殊情況

            對測試環境進行假設非常有用,也可能節約時間。但是,這樣做同樣存在風險和不準確性——尤其是沒有考慮到特殊情況的時候。拉斯維加斯的Vdara酒店就是很好的例子。這個設計聲稱完美曲面的全玻璃幕墻。然而,該設計并沒有在實際環境中進行熱模擬,而終證明代價是昂貴的。在建筑物的凹面,太陽光在一天內的某些時候會集中在一處,導致酒店前的一塊區域非常熱而住客無法使用。TAI的熱設計專表示,如果設計中建立一個熱模型,完整模擬一天內各時刻的情況,考慮玻璃的曲率對太陽光的聚焦效果,那么這個特殊的熱場景就可以被預測到,從而避免將這種設計付諸實踐。遺憾的是,酒店設計方面沒有進行熱模擬,而是不幸地得到了 “死亡射線酒店”的綽號。

            這種情況在酒店設計中非常常見,而且在別的應用中也是普遍存在的。比如,遮陽傘或是遮陽蓬的反射表面,會將光和熱反射到未曾預料到的地方,除非準確地模擬或測試。

            4、 評價HVAC采用固定的溫度水平而不是實際的舒適度水平

            測試汽車的空調系統能否將溫度控制到23度是一回事,而人在車中是否真正舒適則是另一回事。伯克利舒適性模型能夠基于生理的指標明確評估預測乘客的舒適度,考慮人對環境因素的生理反應,比如人員在進入車輛前的新陳代謝熱量、顫抖、呼吸、血管擴張或收縮、出汗、衣著以及乘客的活動量等。

            實際上,近的研究表明,達到舒適的時間會隨著各種因素的變化而變化,如乘客活動量。在這一點上,包括恒潤科技在內的很多單位的技術人員都知道,基于環境測試的溫度指標與基于生理的舒適度指標是不一致的。

            采用相對簡單的環境控制策略,對人體舒適評估的不準確會導致更高的能耗,或是無法通過可靠的方法使得乘客感到舒適。

            5、 工具沒有耦合或耦合不夠充分

            工程技術人員已經開始意識到將熱分析與CFD工具耦合,是模擬熱動力學模型更可靠的途徑。在熱與CFD的聯合仿真方面,也能考慮更多的變化。

            然而,我們必須要知道的是,目前CFD軟件在瞬態分析方面的計算量巨大,所以單獨仿真可能會得到不準確的熱結果。比如,在汽車機艙內,有三個不同的因素影響熱交換——發動機本身的熱輻射、部件之間相互接觸的熱傳導以及流動復雜的氣流引起的熱對流——在車輛實際駕駛過程中它們都會在大小和持續時間上不斷變化。

            因此,何時進行耦合、使用什么工具耦合同樣重要。設計周期的早期進行耦合,可以做一個測試并將結果用作下一個測試的邊界條件。在設計周期中持續這個流程能得到“虛擬樣機”——設計階段進行模擬和仿真,能夠顯著節約從概念到成型的時間,節省大量經費。

            如何避免這些錯誤?瞬態分析采用高保真的熱模型和的求解器。

            通常情況下,“穩態”分析類似于“原始”測試實驗室,提供了一些有用數據,但也忽略真實世界中存在的許多元素。

            瞬態分析則更準確地復現、模擬和預測了真實的場景。更真實的結果也意味著更低的生產成本、快速而更準確的設計以及用戶更好的性能體驗。


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