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2020-12-09 超链科技
散热器和风扇是汽车冷却系统的重要构成部分，其工作性能的优劣直接影响汽车发动机的散热效果及运行状态，进而影响汽车的行驶安全。随着汽车发动机转速和功率的不断提高，热负荷也愈来愈大，对冷却系统的要求也越来越高，需兼备良好的散热性能和稳定性。
本文介绍如何在Simcenter STAR-CCM+中设置散热器和风扇，验证散热器的仿真方法，并探索如何设计这种系统，主要包括以下内容：
风扇是否应连接到散热器的背面，要不要带风扇罩？
散热器的倾斜角度对质量流量、下压力和阻力的影响有多大？
没有风道时，冷却系统性能如何？
用风道罩住散热器会在多大程度上改变通过散热器芯的质量流量？
则在Simcenter STAR-CCM+中需要定义出以下Regions和相关边界，其中外围的淡蓝色为空气域，橙色为散热器域，灰色为风扇域：
为了获取这些Regions，建议从Simcenter STAR-CCM+中的3D-CAD层级将车辆的CAD导入。也可以从外部导入，通过类似STAR-NX的CAD Clients连接，或直接在Simcenter STAR-CCM+ 3D-CAD中创建几何，然后转换到Parts层级。本文所用的几何均在3D-CAD中创建，然后转到Parts层级。
下一步将Parts转到Regions层级。几何中的每对重合边界都需要设置为Simcenter STAR-CCM+中的Interface。通常在将Parts转为Regions时会自动设置Interface，如果没有自动设置，则可以按住Ctrl键在Regions-Boundaries中选择两个边界面，右键-Create interface。散热器罩和风扇罩为壁面，应设置为Baffle interface，风扇用面代替，设置为Fan interface，其他所有重合面均设置为Internal interface。将散热器设置为多孔介质区域（单击该Region，转到“属性”窗口并将类型设置为“Porous”）。
首先，打开表格“rad_resistance_term_calculations”（可从文末的链接下载）。输入压降和速度值，这些值需要通过风洞或其他测试方法获得，表格中已输入了计算阻力项的公式，输入压降和速度即可得到对应的阻力值。如果没有这些值且无法获得，表格中还给出了用于汽车、卡车和摩托车的典型值范围。本表中使用的数值与某高校FSAE团队测试的压降和速度值非常吻合。
测试团队在低速1'（1英尺）直径的风洞中，以2018年散热器作为试验对象，测量上游和下游压力。以下为测试现场图片：
·试验段动压：V=6.05米/秒
·上游和下游总压差：ΔP=P0,1-P0,2=270.24帕
·散热器芯厚度：T=1.8英寸=0.0457米
用下式计算得到沿流动方向（X方向，垂直于散热器）的粘性阻力：
其他两个方向的粘性阻力均设置为1000000 kg/m^3-s，模拟散热器将气流限制在X方向的真实情况。
请注意，不同于用一组P-V值拟合曲线的做法，这里演示了如果仅知道速度和压降的单个数据点，如何得到阻力项的方法。
将求得的阻力数据应用于验证案例，使用卡车试验测量30mph下的质量流量，并将其与相同设置的Simcenter STAR-CCM+模拟结果进行比较
输入惯性阻力项和粘性阻力项模拟得到的质量流量为0.422kg/s，而实验测量的质量流量为0.4433kg/s（误差为4.8%）。关于这个测试、实验的更多信息，请参阅所附的Cal Poly，San Luis Obispo FSAE的文档， 文末链接可以下载。
到此为止，已经计算了阻力项并对其进行了验证，输入到Simcenter STAR-CCM+中。转到Radiatorregion，展开Physics values, 将其设置为散热器的局部坐标系。展开Porous inertial resistance > Principaltensor，确保XX和YY的坐标系设置为相同的局部坐标系。
要检查XX和YY的方向，可以打开一个Scene，然后单击散热器的局部坐标系（Tools > Coordinatesystems > Laboratory > Local coordinate systems），在Scene中会显示出该坐标系，可以观察坐标系是否正确。粘性阻力节点的设置方法相同。
首先得到所用风扇的性能曲线，通常风扇制造商可以提供。本例使用的是VA22-AP11-/C-50A。原始数据的量纲是m^3/hr和mmh20，将其转换为m^3/s和Pa，与Simcenter STAR-CCM+默认的量纲保持一致。
复制m^3/s和Pa两列到Excel表中，在每列顶部的单元格中添加标题（“Vol”和“P”），并将该表另存为一个新的.csv文件。然后导入Simcenter STAR-CCM+的.sim文件，Tools> Table > New table > File table 。
将此表格输入到风扇的Interface设置中。进入Interface，展开Fan interface > Physics values > Fan curve table，单击Fan curve table子节点，在属性窗口中，将Table设置为刚导入的表格，其余各项按照下图设置：
其中Operating rotation rate是计算中所用的风扇转速，Data rotation rate是测量性能曲线时的风扇转速。
需要注意，Fan interface的方向非常重要，运行之前要检查Interface的方向是否正确。如果原始的输入顺序被颠倒了，则计算后高压侧和低压侧会被翻转，从而导致风扇气流向后（回到风道中）。Interface属性界面中，默认Boundary-0是上游边界，Boundary-1是下游边界。如果方向错误，右键单击Interface，选择Reverse Orientation，即可纠正。
如果使用Trimmed网格，则需要勾选Per-part meshing（在“Automated mesh”节点的属性窗口）。设置一个Surface control，取消不需要的棱柱层网格（没有边界层的地方，如散热器的入口和出口），减少网格数。
生成的网格如下
用Volumetric control细化风道百叶窗所在的面和棱柱层（本文后面将用到这些）：
All y+ wall treatment
Constant density
Exact wall disctance
Gas
Gradients
K-Omega Turbulence
RANS
Segregated flow
SST (Menter) K-Omega
Steady
Turbulent
初始测试不包括任何尾翼（为了减少网格），并且不进行网格验证。之后将添加尾翼，并使用更精细的网格。每个计算文件的网格总数约为480000。大多数网格细化集中在风道、散热器和风扇表面及其附近。
在本研究的第一部分，即本文所述部分，测试了风道、护罩、风扇的几种形式及其组合，如下表所示：
将上述9个因素进行组合，形成8个设计方案进行计算分析，如下图所示。为表述方便，自上到下分别称为方案1-方案8。其中IRCA表示风道的入口面积与散热器芯面积之比。
方案1 IRCA=44.5 + 无散热器罩+ 短风扇罩
方案2 IRCA=44.5 + 带散热器罩+ 短风扇罩
方案3 IRCA=44.5 + 带散热器罩+ 长风扇罩
方案4 IRCA=44.5 + 带散热器罩+ 无风扇
方案5 IRCA=100(仅散热器后方有风道) + 无风扇罩
方案6 IRCA=44.5+ 无散热器罩+ 无风扇罩
方案7 IRCA=44.5 + 带散热器罩+ 无风扇罩
方案8 无风道+ 无风扇罩
后续内容请见“如何在Simcenter STAR-CCM+中模拟散热器、风扇和风道及设计建议（二）”。
声明：本文引用杨冉老师的《如何在Simcenter STAR-CCM+中模拟散热器、风扇和风道及设计建议》，如若涉及版权，请联系删除！
