探虚取实,让工程机械拥有生命的灵动 | PowerFLOW如何加速工程机械行业产品研发?

发布时间:2021-08-10 10:00    来源:达索系统

关键词:PowerFLOW 产品研发 工程机械

摘要:工程机械作业时,会面临不同工况下的性能挑战,如持续高温环境、特定的发动机负载、长时间持续作业,若发动机冷却系统散热不佳会导致发动机温度过高甚至“开锅”,影响发动机的正常工作和寿命。为了优化机械产品的设计,可以在设计早期采用PowerFLOW热分析和气动噪声仿真,与优化结构进行反复迭代,在设计早期自由度最高的时候发现和解决不同工况下热和风扇噪声问题,确保符合发动机认证需求和严格的噪声标准,减少测试成本。

  挑战

  工程机械作业时,会面临不同工况下的性能挑战,如持续高温环境、特定的发动机负载、长时间持续作业,若发动机冷却系统散热不佳会导致发动机温度过高甚至“开锅”,影响发动机的正常工作和寿命。因此需要在工程机械研发阶段,评估各种工况下的发动机冷却性能、所需风扇功率,保证足够多的冷却风量,同时尽可能的降低风扇噪声,减少对操作人员和附近居民的影响。而噪声评估,对于在无回声室内进行完整的物理原型测试极具挑战性,周期和成本巨大。

  解决方案

  为了优化机械产品的设计,可以在设计早期采用PowerFLOW热分析和气动噪声仿真,与优化结构进行反复迭代,在设计早期自由度最高的时候发现和解决不同工况下热和风扇噪声问题,确保符合发动机认证需求和严格的噪声标准,减少测试成本。后期的样机测试只作为一种性能确认的手段。这种开发流程能够实现最优化的设计,同时花费最少的时间和成本。

  PowerFLOW

  PowerFLOW是基于格子玻尔兹曼(LBM)算法的高精度瞬态流体力学分析软件,在过去的近30年PowerFLOW为汽车行业提供了高效、完整的热管理、空气动力学和气动声学解决方案,多领域的对标验证和模版化的最佳实践极大提升了用户的研发效率。

PowerFLOW / 工程机械行业热管理解决方案

  PowerFLOW热分析包含冷却空气模拟、发动机冷却模拟和热保护仿真。

  在工程机械领域,PowerFLOW提供发动机冷却解决方案,自动化工作流程和高保真度求解器的精确解,加速不同工况下流场及温度场的分析效率,对设计进行迭代以满足发动机认证需求。如视频1所示,是通过挖掘机的冷却器的冷却气流仿真以及风扇周围的涡流核心等值面(由速度着色的lambda-2)。

视频1:挖掘机冷却气流仿真及风扇周围的涡流核心等值面(由速度着色的lambda-2)

  图1为温度场设计优化案例,在两个冷却器之间增加导流板,评估导流板对油冷却器性能的影响,仿真结果显示添加导流板可提高冷却器的性能。

 

 

图1:冷却风扇之间增加导流板前后的温度场和流场 

  视频2所展示的是意大利道依茨法尔(DEUTZ FAHR)拖拉机设计阶段的流场、温度场分析以及风扇噪声源预测、气动噪声传播预测分析。

视频2

  工程机械完整的物理原型噪声评估价格高且耗时长。基于对虚拟测试和加速产品开发的需求,PowerFLOW开发了云端发动机冷却自动化工作流程,快速的前后处理以及稳定高效准确的求解,加速了非专家工程师的分析效率。一致的步骤和使用,无需声学专业知识,为所有用户提供相同的体验。图2为挖掘机发动机冷却自动化工作流程。

图2:发动机冷却自动化工作流程

  热分析的目的是保证发动机在任何工况下运行,在不同的场景下满足特定的性能标准,如高温环境以及特定的发动机负载,达到风扇的性能要求,避免风扇功率过设计,从而评估来自新的子系统设计的影响。在样机测试之前完成发动机舱布置集成,确定回流区域,以便进一步改进,减少测试失败的风险。如图3所示的引擎盖下部区域的流场可视化分析,用于确定产生回流的区域,指导布局设计优化。

图3:引擎盖下部区域的流场

  图4展示的为意大利道依茨法尔(DEUTZ FAHR)整机热管理应用案例。PowerFLOW的冷却空气模拟评估通过每个换热器的质量流量以及冷却组件周围的流动结构,同时计算引擎盖和车身底部组件的表面温度。

图4:意大利道依茨法尔整机热管理

  01   PowerFLOW气动噪声解决方案

  为了确保最终产品的噪声水平保持在最小/满足预定义的目标或噪声法规,用户需要:

  • 在产品开发的任何阶段评估声学性能

  • 了解噪声产品的确切位置和重要性

  • 确定导致噪声问题的设计特征

  • 对设计进行迭代以满足噪声目标

  PowerFLOW声学产品模块PowerACOUSTICS为用户提供高精度的气动噪声解决方案,包含噪声水平计算,噪声传输评估,噪声源贡献度识别以及远场噪声传输分析。

  02   PowerFLOW风扇噪声

  PowerFLOW声学分析模块支持各种声学和瞬态流动分析,利用LBM的高并行效率、低数值耗散优势在仿真中准确捕获湍流和噪声,预测产生噪声的流动结构和噪声水平。图5为DELPHI的风扇噪声仿真与实验对比。

图5:DELPHI的风扇噪声仿真与实验对比

  03   PowerFLOW整机系统噪声

  远场噪声传播:机械作业时风扇周围瞬态流动而产生的气动噪声会向远场以及不同方向传播,噪声远场传输模块使用FW-H方法计算远场噪声传播。

  对于声学,吸声材料对于实现噪声目标和优化声音包装设计非常有用。用户可以创建、修改、导入和导出吸音材料库。根据材料的吸声测试数据自动计算声学多孔介质 (APM) 参数。因此,可以准确地包含由于车辆和工业设备中的特定吸音材料而产生的阻尼效应。

  图6为挖掘机增加吸声材料前后的噪声对比,吸声材料能够有效的降低风扇噪声。

图6:挖掘机增加吸声材料前后的风扇噪声对比

  04   PowerFLOW消声器

  借助声学软件PowerACOUSTICS的Flow-Induced Noise Detection (FIND)模块,可以生成与涡旋动力学相关的噪声源的清晰3D映射,显示不同区域的噪声源强度贡献,实现噪声源分析与识别,帮助优化设计噪声产生强度较大的特征结构。视频3及图7为消声器的气动噪声仿真,FIND功能识别出噪声产生较大的区域,对结构进行优化后,噪声显著降低。

视频3

图7:消声器的气动噪声仿真

  结语

  PowerFLOW的 Very Large Eddy Simulation (VLES)算法,瞬态可压缩求解,精确的计算整机的瞬态流场、温度场,格子玻尔兹曼算法(LBM)的高效并行效率支持快速评估不同环境条件和发动机负载下的冷却性能,达到发动机认证要求,减少测试失败的风险。

  气动噪声方面,支持驾驶室噪声、风扇噪声、噪声源贡献度识别、远场噪声传播分析。PowerFLOW同时求解湍流和声波,由于格子玻尔兹曼算法(LBM)数值耗散低,涡流相互作用产生很小的压力脉动亦可精确捕获,保证高频精度。

  PowerFLOW的热管理和气动噪声解决方案,帮助用户在工程机械研发阶段,发现并解决热、风扇气动噪声问题,并在样机测试阶段提供高精度的仿真结果来帮助确认性能,结合结构、振动噪声分析等进行多物理场联合仿真,寻找各个性能之间的最佳平衡,在设计空间内探寻最优设计方案,将产品性能提升到前所未有的高度。

(责编:yangbo)
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