Powerpack热仿真及空气冷却需求

日期:2019-08-13

SYN TRAC是奥地利的SYN TRAC GmbH公司开发的一款适用于不同应用领域的全新车型, 比市场上现有车型更为先进和灵活。其创新的耦合方法允许在不离开车辆的情况下,自动连接液压、气动、电子/CAN总线、地面速度动力输出装置 (PTO)和一般操作。

车辆和附件的组合达到最佳的协同作用。SYN TRAC的工程师们创造了一台完美的工作机器。他们实现了各种可能的配置和灵活应用,用于农业、交通基础设施、市政服务、林业和灾害控制等特殊应用。由于耦合过程的自动化,操作者不必进入“危险区”,他们可以留在车辆驾驶室内,同时也节省了大量时间。

作为一款全新的产品,在可靠性、农业需求的稳健性、成本和系列化生产准备等方面都有很高的期望,与汽车系列化需求相当。这需要所有参与的学科得到充分运用。因此,SYN TRAC的工程师从一开始就必须使用大量的数字原型和仿真。其中一个主要问题是powerpack/powertrain的热管理和发动机舱的热平衡。复杂的几何形状和减少的可用设计空间对冷却气流、风扇性能和适当的冷却器集成有很大的影响。考虑所有这些因素对于准确确定发动机舱内与体积流量有关的压降(系统阻抗)以及选择合适的风扇至关重要。他们将CFD引入到设计过程中,并与SYN TRAC设计团队紧密配合,编写了仿真程序。在此过程中,对发动机舱在速度为0 km/h和10 km/h两种运行情况下的冷却空气进行了热平衡研究和仿真,以确定改进措施。

车辆静止状态(0km/h)始终是热管理最关键的条件之一,因为没有用于冷却的环境空气流动。车辆静止和低速,同时满载热负荷,对这些应用领域(田间农业活动、树木工作、道路市政服务)至关重要。此外,由于应用区域内的多尘空气,重要的发动机应超压,并尽可能避免气流分布短路。

确定了下列因素:

•机器内冷却空气的速度分布;

•机器内冷却空气的压力分布;

•机器内冷却空气的温度分布;

•压力损失。冷却空气压力下降VS体积流量

•冷却空气入口温度

•冷却器出口处的速度分布

意识到在短时间内处理高度复杂的几何图形的挑战,他们采用了FloEFDTM,利用其高效的网格生成能力和广泛的物理模型,以及他们自身在其他项目中使用该工具的宝贵经验。

好处之一是对系统阻抗的预测,这有助于找到冷却系统的最佳设计点(如图1)。由于多尘的操作环境, 尽管需要提供所需气流以便在整个发动机工作范围内进行适当的冷却,发动机舱也必须尽量封装。

图1.冷却空气vs压力损失

在45℃环境温度下进行CFD模拟,将电机温度等等定义为边界条件。其中一项主要任务是设计用于增压空气、冷却水油、冷却能力在30 -120千瓦的冷却器。

进气和排气应尽可能自由。为了可靠运行,避免吸入比周围空气温度更高的空气是非常重要的。

图2a,b.SYN TRAC的CAD模型

图2。边界条件

工程师们比较了大量结果输出图像,并根据FloEFD中模拟的两个运行状态研究了流动分布和温度场。

图3。后视图中的流场

在图3中,后视图的流场显示的环境速度为10km /h。汽车静止时,空气由风扇带着流动。在图像中可以清晰地看到移动中的车辆不同的流动剖面。根据这些结果,得到了几种运行情况下的压力阻力曲线(冷却空气压力降随体积流量变化)。基于此,还可以考虑风扇的安装条件和空间要求来确定风扇的设计规格。工程师们在早期考虑的另一个方面是风扇的驱动功率,这也影响着整个车辆的效率。

SYN TRAC的工程师与Termoflow.com合作,深入了解流动分布及温度场,甚至是没有模拟的不可见区域,实现了独一无二的SYN TRAC。

图4。冷却气流进入底盘 

图5a,b.超压区域分析

图6a,b.温度分布分析

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