汽车照明前灯除霜仿真 – 一种数字化方法

了解使用 CFD 进行汽车前照灯热除霜。

介绍

数字孪生一词的使用越来越广泛。它代表了这样一个概念，即创建对象甚至生物的数字副本，以更好、更快地理解、设计和优化现实生活中的孪生体。常见的数字孪生工作流达索系统对于汽车行业，包括了解车辆的空气动力学、污染行为、风扇和风噪声、气动声学以及发动机舱的热性能。到目前为止，尚未开发的应用领域是前照灯的热除霜特性，其中前照灯上的冰层融化成液相。为了说明也可以使用达索系统专有的计算流体动力学 （CFD） 求解器之一对相变场景进行建模，Weldex 是摄像头、LCD 显示器和 LED 灯的全球一级汽车行业供应商，双方发起了一次交流。前照灯 CAD 几何结构、设置/测试条件和实验结果由 Weldex 提供，而用于在数字域中复制除霜场景的软件由 Dassault Systèmes 提供。

几何和软件

首先，描述了前照灯的 CAD 几何形状和使用的 CFD 软件。大灯如图 1 所示，其中图 1a 描绘了整个大灯外壳，图 1b 显示了没有前盖的大灯，以说明加热元件/电线。同时，用于除霜场景的 CFD 求解器是 FMK。它是直接集成到 Dassault Systèmes 的3DEXPERIENCE 平台.具体来说，FMK 通过 Fluid Dynamics Engineer 角色提供，链接到CATIA 3DEXPERIENCE Platform 上的 CAD 应用程序，支持互联建模和仿真 （MODSIM）。这是达索系统的战略支柱之一：模组通过缩短设计时间并允许在关联的仿真设置中立即更新 CAD 几何图形更改，使产品开发周期左移。

图 1：Weldex 大灯的 CAD 几何图形，带 （a） 前盖和 （b） 无前盖

仿真设置

在介绍了 Weldex 的前照灯几何结构以及将用于在数字域中模拟前照灯除霜行为的 CFD 求解器之后，现在描述了仿真设置。这从流体域（即空气）的离散化和固体成分（包括冰层）的离散化开始。如图 2 所示，流体域使用六面体单元进行网格剖分。

图 2：六面体离散流体（即空气）域：（a） 非截面视图，（b） 截面视图，以及 （c） 棱柱层视图

对流体域的停滞入口和压力出口（图 2a 和 2b）以及前照灯边界附近（图 2b）的方法进行了改进。在固体边界附近，应用棱柱层单元（图 2c）以更准确地捕获显影边界层。对于实体组件，它们使用四面体网格进行离散化（图 3）。根据 Weldex 提供的实验液体/冰喷雾数据，四面体离散化冰层的厚度约为 1 毫米，就像在实验装置中所做的那样。

图 3：四面体离散的固体成分，包括约 1 毫米厚的冰层

继续前进，为各种组件选择的材料如下：

1. wire 元素被指定为铜。

2. 大灯外壳根据大灯制造过程中使用的塑料材料统一设置为塑料特性。它具有良好的振动和疲劳性能。

3. 冰层设置为 H2O 的温度相关属性。至关重要的是，为了模拟 FMK 中的相变，指定了 H2O 的比热容峰值，使得比热容和温度的积分（即“曲线下的面积”）等于水的熔化热（图 4）。

图 4：水的比热容

此外，为了考虑湍流，选择了雷诺平均纳维-斯托克斯 （RANS） 可实现的 k – E 模型。之所以选择它，是因为准确捕获流动分离点不是此除霜仿真的目标，而是整个流域中热行为的更普遍的准确分辨率。为了完成物理场规范，启用了热效应（包括表面对表面射线追踪辐射模型），并打开了重力，以考虑浮力形式的自然对流。作为初始条件，空气的一般特性设置为温度 -20°C、表压 0Pa 和流速 0m/s。为了初始化可实现的 k-E 模型的参数，将湍流强度设置为 0.1，指定湍流粘度比为 100，并将速度刻度设置为 1m/s。同时，大灯的表面温度也被初始化为 -20°C。 对于边界条件，将应用以下内容：

1. 对铜线元件施加 27.4W 的热负荷。

2. 流体域的停滞入口设置为 0Pa 的表压。

3. 流体域的压力出口也被指定为表压为 0Pa。

4. 流体域的其余“壁”设置为滑移和绝热。

5. 最后，前照灯壁的发射率为 1.0，并被设置为防滑。

在讨论结果之前，需要解释仿真设置的瞬态求解器设置。物理仿真时间设置为 1000 秒，以涵盖可用的实验数据。同时，尽管 FMK 是一个隐式求解器，但仍指定了 Courant-Friedrichs-Lewy （CFL） 条件来指示仿真时间步长。在这里，CFL 编号设置为 5000。随着仿真的进行，时间步长会逐渐增加（即它变得更大），直到满足 CFL 条件 5000。饱和限制发生在 5 秒的仿真时间步长处。

结果相关性

在彻底描述了仿真设置后，现在可以将数字气候室的前照灯除霜结果与 Weldex 提供的真实除霜进度数据进行比较。数据有两种形式：（1） 一维温度演变图，以及 （2） 三维温度等值线图。一维温度发展图来自图 1a 中描述的探针位置的测量。查看图 5，可以看出相变在实验中比在模拟中开始的时间略早（即约 0.5 分钟）。然而，在指定的探针位置，从冰到液态水的相变在实验和模拟中都以大约 9.8 分钟的相同时间完成。此后，实验中的线性温度演变比模拟中的要陡峭一些。具体来说，在加热丝打开后 15 分钟，实验中的探针位置比模拟中的温度高约 4°C。通过查看图 6 的 3 维温度等值线图，可以证实实验中这些略高的温度：除了 0 分钟的时间外，实验图像中前照灯的表面温度始终高于模拟图像中的温度。实验和模拟之间的这种差异可能归因于以下事实：冰层厚度无法以 100% 的准确度测量：模拟中的冰层可能比实验中的冰层略厚。尽管如此，相关性仍然很好，更重要的是，客户认为可以接受。

图 5：一维温度演变图

结论

图 6：三维温度等值线图

总之，Weldex 前照灯几何图形的除霜场景已使用 3D EXPERIENCE Platform 的 3DEXPERIENCE Platform 成功模拟流体动力学工程师角色。与实验测试台相比，该仿真具有两个主要优势：（a） 可以访问计算域网格中每个点的温度和流速值（即，可以收集有关问题物理的更多信息），以及 （b） 由于 3DEXPERIENCE Platform 的 MODSIM 功能，设计过程左移，其中 CAD 和仿真设置本质上是相互关联的。总的来说，这个客户参考案例是 Dassault Systèmes 如何使用软件“为企业和个人提供虚拟世界，以想象能够协调产品、自然和生活的可持续创新”的又一个例子。

Weldex 的 Marek Roh

Marek Roh 拥有布尔诺理工大学工程力学和生物力学硕士学位。为了满足 Weldex 的多样化仿真需求，Roh 和他的团队实施了达索系统的 3DExperience 平台，这是一个涵盖结构、热、耐久性和模流分析的综合解决方案，所有这些都集中在一个屋檐下。Roh 在 RFQ 阶段到设计阶段的前照灯系统技术评估中发挥了关键作用。他提供精确见解和优化流程的能力使他成为全球汽车照明项目的关键贡献者，他的工作不断突破仿真技术的界限。Roh 仍然致力于推进仿真工程，利用他的专业知识在他处理的每个项目中推动创新。