優化發動機艙內的氣流對于確保設備安全可靠地運行至關重要。此外，它還可以減少車輛的行駛阻力，提高性能和燃油效率。然而，在實驗室或風洞中對發動機艙內的冷卻效果進行測試是不夠的。因為設備需要能夠在諸如沙漠、雪原和潮濕的氣候等極具挑戰性的現實環境下運行。因此，設計人員經常會選擇犧牲重量和性能的過度設計。

(資料圖)

仿真技術使工程師能夠可視化發動機艙內的氣流和溫度分布。為了同時達到冷卻和燃油效率目標，我們可以對風扇和通風口的設計進行優化，與此同時，對實際天氣工況進行虛擬分析也有助于減少所需的物理原型的數量。所有這些因素都可以縮短開發時間并降低成本，使工程師能夠改進尺寸、重量和效率，從而獲得競爭優勢。

本文將介紹SIMULIA軟件如何解決發動機艙內冷卻仿真面臨的挑戰，從而節省時間和金錢。

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發動機艙內冷卻面臨的挑戰

汽車發動機艙內的沖壓空氣

發動機缸體上的溫度分布

發動機會產生大量的熱量，如果不能正確散熱，就會導致性能下降、故障、災難性故障，甚至有引發火災的危險。冷卻氣流可以保持熱效率，防止部件過熱以及后續的安全和耐用性問題。需要平穩加熱避免熱沖擊效應，同時為了防止溫度熱點引起結構部件失效，均勻的冷卻氣流分布至關重要。

空氣冷卻是發動機艙熱管理的重要組成部分，在設計時需要考慮發動機周圍和整個車身的空氣流動。從廣義上講，發動機艙內冷卻分析可分為兩類：

對于道路應用，車輛通常以足夠的速度移動，沖壓空氣可以用來冷卻發動機，這時沖壓空氣會由于汽車高速運動強制進入發動機艙。使用沖壓空氣減少了對風扇冷卻的需求，但也增加了汽車氣動阻力，因此降低了燃油效率。此外，還需要注意的是，當沖壓空氣不可用時（例如在低速爬坡時），要確保具備足夠的冷卻能力。

本文將重點討論的另一類是非公路設備和固定式機械，它們不能利用強制沖壓空氣。所有的氣流都需要風扇來驅動。這些風扇會占用設備內部的空間，增加設備的總重量。為了設備在任何可能的條件下都能提供足夠的冷卻，需要遵守尺寸、重量、噪聲和最小功率需求等其他設計限制下對風扇進行優化。

重型機械必須在極具挑戰性的環境中工作。根據應用的不同，這種挑戰性環境可能是赤道上炎熱潮濕的地區，也可能是寒冷干燥的高海拔地區（氣壓普遍很低）。對于移動車輛來說，路面本身就是車輛空氣動力學的重要因素，且周圍的障礙物（如樹木或隧道墻壁）也會影響氣流。這些場景很難用比例模型和風洞來再現，因為物理原型通常被運送到有代表性的環境中進行測試。這個過程是緩慢且成本高昂的，會潛在地影響開發進程以及產品上市的時間安排，這是因為只有在產品開發后期階段，完整的原型和測試設施可用時才能進行真實環境測試。

最壞的情況決定了冷卻風扇的大小。這很難在實驗室中測試，因此設備通常在設計時保留非常寬的安全裕度。如果能夠更準確地描述最壞情況下的冷卻效果，就有可能減小冷卻設備的尺寸和重量，從而釋放空間，或者減少車輛的總質量。

通過非公路設備冷卻模塊的氣流

通過仿真助力發動機艙內冷卻設計，即可有效避免試錯的過程。在物理樣機搭建之前用戶便可以分析冷卻系統在任何環境下的表現。我們不僅可以對不同的環境溫度和風場進行建模，而且也可以對路面狀況和物理環境進行建模。

使用虛擬測試不僅降低了與物理樣機制造相關的成本，而且也支持在設計流程的早期識別并解決潛在問題。采用仿真技術不僅降低了與產品開發相關的風險，而且還降低了成本、加快了上市進程。

通過仿真，工程師可以洞察發動機內部的氣流模式和熱量分布。多物理場仿真同時模擬風扇和熱交換器等部件，使其更容易確定冷卻問題的根本原因并找到解決方案。瞬態仿真能夠預測發動機工作中溫升過程，有效保障產品使用壽命。

SIMULIA仿真工具可以與設計和優化產品結合使用。基于CAD數據可立即轉化為仿真模型，因此在設計流程中可以考慮冷卻系統。為了考慮發動機艙所有部件溫升過程以及對氣流影響，工程師可以在仿真模型中涵蓋整個系統。

風扇葉片的精確幾何結構會影響它們的性能。SIMULIA軟件可以高效地仿真真實旋轉風扇場景，從而對精確設計（而不僅是基本的簡化模型）進行優化。

SIMULIA提供了針對發動機艙內冷卻需求量身定制的行業解決方案，因此工程師無需成為仿真專家就可以快速上手仿真。工程師可以跨專業（如發動機設計或車身概念）協作，從而在冷卻方案和其他因素之間做出正確的權衡取舍，并更快地推出最終設計。基于云的自動化解決方案可用于非公路用發動機艙內冷卻仿真，與傳統手動方法相比可節省80%的時間。

發動機艙內冷卻對于實現安全可靠的性能至關重要。道路車輛和固定設備的冷卻模塊都可以通過仿真分析和優化來滿足設計目標。工程師可以預測設備在極具挑戰性的現實環境和氣候條件下的性能，節約樣機制作并將其運送到測試地點的高成本過程。在設計流程中運用仿真技術不僅有助于節省時間和資金，而且能夠幫助減小冷卻模塊的尺寸和重量，并降低認證不合格的風險。SIMULIA提供完整的發動機艙內冷卻仿真工具，其中包括針對極具挑戰性非公路應用的云端自動化解決方案。

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