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2020 - 09 - 26
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1320字,阅读时间预计5分钟编者按上周我们谈到多相流的分类及仿真方法,如果大家记忆有些模糊的话,点此链接来回忆上篇内容吧!接下来作者会进行案例分析和行业解决方案解析,展示ANSYS在多相流仿真领域的运用。多相流仿真展望即使当今多相流仿真功能已经十分强大,但是工程师仍在努力推进多相流仿真的边界。他们将融入并模拟更多的物理模型:物化反应、运动...
2020 - 09 - 23
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1785字,阅读时间预计6分钟编者按作者分析了多相流的分类、仿真方法及未来发展方向,深入剖析了真实的产品案例和行业解决方案,并提出ANSYS仿真工具可以快速、高效地解决产品设计在多相流仿真中遇到的挑战,为企业的产品设计和生产节约成本。无论是设计高超声速运载工具的除冰系统、进行血液酶测试,还是输送和熔化稀有金属粉末化合物以进行增材制造,或是为...
2020 - 09 - 16
作者:陈诗佳  上海交通大学-巴黎高科卓越工程师学院谢文丽  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1755字,阅读时间预计6分钟编者按作者使用Flownex对垃圾处理中心通风系统的局部管线进行模拟,对敞开式处理车间和封闭罐装设备的环境通风系统做出整体评估,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。研究目的随着国内环境三废处理规范要求越来越明细化,各种环保处理工...
2020 - 09 - 09
作者:吴华春  上海安世亚太结构应用工程师本文共计1042字,阅读时间预计4分钟编者按作者挑选了一个简单的球型拉伸模,来观察此模具在不同加载速度下可承受的等效应力值,以此判断相同时间内,该模具最快可加工多少产品。此模拟仿真案例可为企业生产效率及经济效益的提高提供相关的思考。概述在现代工业生产中,效率始终是各行各业考虑的要点,尤其对模具行业来讲,效率更是重中之重。同样的产品、模具和工艺,如...
2020 - 09 - 02
作者:高征宇 上海安世亚太流体应用工程师本文共计1709字,阅读时间预计6分钟编者按作者利用ANSYS Icepak和SIwave的双向耦合技术,分析了PCB的布线导热率分布、铜线焦耳热及其温度对导热率的影响,以此得到与真实情况最为相近的结果,用于评估发热问题。此方法可为企业设计与生产节约大量的时间及产品成本。印刷电路板(Printed Circuit Boards,以下简称PCB)是由绝缘介质(...
2020 - 08 - 26
作者:李桂花  安世亚太结构应用工程师本文共计422字,阅读时间预计2分钟编者按作者利用ANSYS单元的生死功能,通过修改单元刚度的方式,模拟出牛郎织女七夕节鹊桥相会的场景,让仿真充满生活气息,趣味十足。今天教大家用ANSYS单元生死技术做一个高端大气上档次的鹊桥相会。操作步骤第一步:建模模型很简单,一座拱桥,两颗爱心。第二步,画网格选择插入method,选择Body Fitted Ca...

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ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用
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ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用

介绍

2018年国内新能源汽车销量超过百万辆,同比增长60%。一方面依托于中国庞大的市场和政策扶持力度,整个产业链迎来了大爆发。但另一方面,随着补贴撤退,热度下降的同时之前被暂时掩盖的一些技术问题重新被关注起来。解决这些问题就可能在这个行业走得更远、走得更好。


新能源汽车动力电池热管理关乎到电池组性能和寿命,是每个相关企业都重点关注的问题。电池在使用过程中除了将电能转化为机械能,还有相当一部分电能以热的形式消耗掉,这是无法避免的。因此电池pack在设计时需要考虑到散热需求,以维持锂离子电池在合适的工作温度范围内。散热按散热方式可分为被动散热和主动散热,按散热介质可分为风冷和液冷。随着电池能量密度越来越大,风冷很难满足散热要求,因此pack水冷设计普遍被采用。


水冷板的设计主要由流速、进出口位置、流道形式和结构、加工工艺等因素确定。一般来说,水冷板设计除了要满足散热需求,还需要考虑冷板均温性和流阻。要实现冷板均温性,各流道流量均匀性是必要条件。本文利用ANSYS DesignXplorer(DX)软件进行冷板流道结构尺寸的自动优化,以实现流量在各个流道的均匀分布。


整个分析、优化流程如下图,用到的软件包括参数化建模模块ANSYS DesignModeler(DM)、网格划分模块ANSYS Meshing(AM)、求解模块ANSYS Fluent和优化模块DX,其中优化模块包含试验设计(DOE)、响应面拟合(Response Surface)和优化(Optimization)。


ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用


                   


01
 参数化几何建模



DM里建立如下U型流道的几何模型,代表冷板局部结构,将导流板到两边的距离设置为可变参数。初始条件下,每个导流板连同最终中间隔板的到边距离全部相等。另外切割出流量监测面,以便后续优化时使用。


ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用



02
 网格划分



几何结构比较简单,用ANSYS通用网格工具AM即可,设置全局尺寸,注意局部壁面添加inflation。


ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用



03
  求解



求解设置比较简单,打开Fluent,介质切换为水(water-liquid),设置进出口边界条件,采用速度入口+压力出口的配置,入口速度1m/s(假设值),其余均保持默认。


请注意,在Fluent要输出如下7个参数,分别是总流量和每个通道内的流量。

ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用

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ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用



最终双击Workbench界面的Parameter Set就可以看到所有的输入、输出参数总表。在这个表里另外再增加一个输出参数P21,定义为 ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用代表各个通道流量偏离平均流量的程度。若要实现流量均匀性,则该变量的值要尽可能小。


ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用



计算结果显示,由于初始设计的各个导流板长度相等,流量在各个流道的分配很不均匀,P21达到0.891 kg2/s2。


ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用


流道编号

流量 kg/s

1

0.217

2

0.692

3

1.022

4

0.245

5

0.589

6

1.153

P21

0.891



04
优化



4.1  试验设计(DOE)


进入优化模块,首先要设计试验,根据输入参数的数据采集设计参数样本计算每个样本的响应结果。试验设计方法有中心符合设计法、优化空间填充设计法、用户自定义设计等。本次选用Optimal Space-Filling Design方法,采样点的布置更均匀。DX自动根据参数数量设计样本点,本次共148个样本点。点击Workbench的按钮,依次计算这些样本点。此处根据模型复杂程度、并行数量和计算机配置,计算时间可能会持续几个小时以上。最终会得到这148个样本点的各流道流量及P21这个值。为下一步得到响应面提供分析数据。


ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用


4.2  响应面拟合(Response Surface)


响应面拟合采用神经网络法(Neural Network),适合用于高度非线性的响应、输入参数和设计点多的情况。经过短时间的拟合计算,即可得到各个输入参数对输出参数的响应面(2D和3D图像表示)、灵敏度图(各个输入参数对每一个输出参数的相对影响程度)和蛛状图(所有输出参数在输入参数在当前值的响应)。


ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用

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ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用

ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用


4.3 优化(Optimization)


进入优化阶段,DX提供了六种优化方法,本次采用多目标遗传算法(MOGA)。演示流程,为了简化目的,本次仅设置目标为P21这个参数值最小。如果有压降要求,则需要在Fluent设置时添加进出口压降的输出参数,然后在下图界面里添加这个目标并设置其约束。完成目标和约束的设置,点击ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用,经过一段时间(数分钟)自动寻优,DX根据响应面结果返回三个候选方案。这三个方案的准确结果还需要代回Fluent里详细计算,这一过程称为验证(Verified)。可以在设置优化方法是勾选上“Verify Candidate Points”或者后续手动操作。


ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用


完成这一步,整个优化过程基本上就完成了。接下来只需要把最佳方案作为设计点插入Parameter Set表中(如下图)即可。


ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用


优化过后的导流板到边距离及速度分布云图如下图,与初始设计相比,各个流道的流量均匀性已经大为改善,代表均匀性偏差的P21这个参数从0.891降到0.077。

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改进设计


ANSYS DesignXplorer 参数化优化在水冷板流道设计中的应用

初始设计


优化前后结果统计对比

流道编号

流量 kg/s

流量 kg/s

1

0.217

0.405

2

0.692

0.483

3

1.022

0.610

4

0.245

0.432

5

0.589

0.376

6

1.153

0.690

P21

0.891

0.077


上面即是利用ANSYS DesignXplorer对冷板结构进行参数化的全流程,通过DX自动寻优为我们找到了更优选的方案。


本文演示的是动力电池水冷板结构的优化,其实这一过程也可以用在燃料电池流道均匀性优化等其他涉及几何结构和工艺参数优化的场景。不同于传统的经验设计存在一定盲目性,利用软件进行优化设计既可以弥补经验的欠缺,也使我们的设计更有说服力和效率。



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2020 - 09 - 26
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1320字,阅读时间预计5分钟编者按上周我们谈到多相流的分类及仿真方法,如果大家记忆有些模糊的话,点此链接来回忆上篇内容吧!接下来作者会进行案例分析和行业解决方案解析,展示ANSYS在多相流仿真领域的运用。多相流仿真展望即使当今多相流仿真功能已经十分强大,但是工程师仍在努力推进多相流仿真的边界。他们将融入并模拟更多的物理模型:物化反应、运动物体、高速、尺寸变化、相变和热交换,并解决更大规模物理系统的问题。例如,一家能源生产商对油水重力分离器进行了模拟,网格总数超过10亿个单元。除了石油和天然气,化工、电力、汽车、航空航天和海工装备等工业领域也在更多地应用多相流模拟。例如,泳装生产厂商Speedo应用多相流模拟优化护目镜设计。相比于游泳者体型,液滴尺寸非常小,护目镜模拟需要高精度网格捕捉液滴作用力。水膜厚度至少需要10个网格单元解析计算,进而导致网格总数急剧增加。▲ Speedo应用多相流模拟设计高性能泳镜,由Speedo提供。多相流仿真案例分享:全自动洗碗机为了优化全自动洗碗机的能量使用效率和用水量,工程师运用多相流和多物理场模拟多种流型变化:从旋转臂上的喷嘴喷出的射流、射流飞溅在餐具上形成水膜、液膜或水滴从餐具上滑落以及旋转臂下的积水过程。他们使用ANSYS Fluent的拉格朗日方法模拟了水喷射流以及液滴从旋转喷射臂到餐具的完整运动过程。■ 拉格朗日液膜模型准确模拟了喷射水流冲击餐具形成薄膜的过程,并可计算薄膜厚度、覆盖率以及其受喷射臂设计因子的影响。■ VOF模型用于模拟重力引起的流动以及液膜和液滴滑落到洗碗机底部积水池的过程。■ 蒸发和冷凝模型模拟了干燥过程。全自动洗碗机的多相流模拟只是其完整的多物理场系统仿真的一部分,完整仿真流程还包括:ANSYS SpaceClaim快速创建...
2020 - 09 - 23
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1785字,阅读时间预计6分钟编者按作者分析了多相流的分类、仿真方法及未来发展方向,深入剖析了真实的产品案例和行业解决方案,并提出ANSYS仿真工具可以快速、高效地解决产品设计在多相流仿真中遇到的挑战,为企业的产品设计和生产节约成本。无论是设计高超声速运载工具的除冰系统、进行血液酶测试,还是输送和熔化稀有金属粉末化合物以进行增材制造,或是为偏远地区配制一套过滤系统以提供洁净的饮用水,工程师都需要考虑液体、固体和气体之间的相互作用。在这些不尽相同的多相流应用中,每一种仿真都需要不同的建模方法。40多年来,ANSYS开发了可以精确模拟多相流的仿真工具,已经被广泛运用在各个工业领域,以预测产品性能。精确的多相流仿真依赖于精确的物理模型精确的多相流模拟依赖于各相之间的机械、热和化学相互作用的精确预测,但是观测这些物理过程成本高昂甚至会遇到难以观测的问题。现在,工程师可以依靠多相流建模与仿真技术,深入了解并掌握提高效率、产量、安全性、可靠性的要素。■ 多相流模拟可以展现随地点位置变化的流型状态。例如,油气井底的流型可能完全是单相液体,但随着高度升高,气泡逐渐生成,流型会过渡到多相状态。因此在此类物理过程中,在不同的地点位置需要设置不同的多相流模型。■ 多相流模拟比单相流模拟的难度更高。完整描述多相流需要求解每一相的质量、动量和能量方程以及各相之间的相互作用。由于物理现象的多样性和多种流型同时存在的可能性,各相之间的合理模拟变得至关重要。▲ 油气井底部可能完全充满液体,但在上升过程中,压力下降,由于溶解气体析出,流型将过渡到气泡流。油气井仿真需要多种多相流模型精确的模拟不同井深处的特殊流型。自由表面流自由表面流包括两种或更多种不混溶的流体,每种流体被假定为在大部分流域具有连续性特征。每种流体有明显可识别的流动...
2020 - 09 - 16
作者:陈诗佳  上海交通大学-巴黎高科卓越工程师学院谢文丽  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1755字,阅读时间预计6分钟编者按作者使用Flownex对垃圾处理中心通风系统的局部管线进行模拟,对敞开式处理车间和封闭罐装设备的环境通风系统做出整体评估,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。研究目的随着国内环境三废处理规范要求越来越明细化,各种环保处理工艺可以说是百花齐放。但由于环保处理的对象具有极其复杂的来源,因此各种工艺和设备的处理效率仍需不断提高。这里就针对有机质固废集中处理中心的敞开式处理车间(低浓度臭气)和封闭罐装设备(高浓度臭气)的环境通风系统做一个评估。■ 处理车间的臭气产生量与处理废弃物种类、处理量、停留时间有关,这种环境下空气的换气率指标是有相应标准限定的。■ 对于封闭罐装设备来说,高浓度臭气的产量与种类、储量、时间、压力、温度等参数相关。有了这些基础数据以后,一般通风系统的管道布置设计就可以开始了,同时可以进行风机选型。由于垃圾处理中心处理的种类随着季节、处理量而变化,通风系统需要随之重新改造或升级。因此,对现有通风系统的评估和改造是相关企业经常面临的事。本文使用集成CFD程序的一维管网系统设计软件——Flownex,对垃圾处理中心的通风管路系统的局部管线进行模拟,评估现有运行参数下每一个吸风口的风量,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。Flownex软件简介Flownex是一款优秀的一维管网系统热流体设计、优化软件。■ 它在电力、核能、化工、船舶、燃机、建筑、天然气管网、航站楼飞机供油管路系统等领域都有广泛的运用。■ 它含有丰富的过流元件(图1所示)(如管道、阀门、换热器)、流动控制元件、动力元件(风机、水泵、压缩机、锅炉、燃烧室、核电反应堆等)、从动元件(汽轮机...
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