embedded cfd 1d-3d連成によるエンジンコンパー...

Embedded CFD

1D-3D連成によるエンジンコンパートメント熱収支解析手法の提案

June 9, 2017

Unrestricted © Siemens AG 2017

Siemens PLM Software

.

Embedded CFD概要

他用途への適用可能性，まとめ

エンコパ内風流れデモモデル

アジェンダ



1D手法の利点：過渡解析，システムシミュレーション，CAD情報の無い状態でも計算が可能

3D手法の利点：詳細定常流解析

Vサイクルにおける，1D-3Dシミュレーションの使い分け（現状）

1D空気流れ計算精度に限度

詳細な物理表現が必要

1D

企画 & 初期設計

サイジング検討（初期）

サイジング/ システム

性能検証

定常詳細冷却性能

解析/検証

1D 機能的表現

詳細 3D 形

状情報の

無い段階

3D CADが

存在する

段階

3D CFD • Weak coupling

（マップ化）

• Co-simulation

1D +詳細形状

Full 3D CFD特定の境界条件

における検討詳細形状



1D手法の利点：過渡解析，システムシミュレーション，CAD情報の無い状態でも計算が可能

3D手法の利点：詳細定常流解析

Vサイクルにおける，1D-3Dシミュレーションの使い分け（提案）

1D 機能的表現

3D CFD • Weak coupling

（マップ化）

• Co-simulation

1D +詳細形状

Full 3D CFD

企画 & 初期設計

サイジング検討（初期）

サイジング/ システム

性能検証

定常詳細冷却性能

解析/検証特定の境界条件

における検討

詳細 3D 形

状情報の

無い段階

3D CADが

存在する

段階詳細形状

3D CFD Embedded CFD

=

Integrated

Coupling

1D +

パラメトリックな

簡易形状



エンコパ内設計課題とシミュレーションによる取り組み手法

課題

• フロントグリルデザインがサブシステム性能に与

える影響

• サブシステム間の相互影響

取り組み手法

フロントグリル形状を考慮した熱解析手法が必須

システムレベルでのモデル化を行う

Embedded CFDによる利点:

• ノンエキスパートにも3D-CFDにてより詳細な物理表現による検討が可能

• デザイン検討時に1Dと3D両方のアプローチを組み合わせる事で，精度向上

• コンポーネントのCADが無い状態での検討熱交換

器のサイジング検討

• 1Dシミュレーション精度の向上

パラメトリックな簡易形状を定義する必要

1Dと3D-CFDのシームレスな”Hybrid化”



Embedded CFD

Amesimに統合された自動化プロセス

Data Exchange - Init

熱交換器及び主要コンポーネント形状，位置情報

ファン特性

1

6

熱交換器表面の，空気温度および速度分布

冷媒流れ, 温度

熱交換量

必要時に

3D計算をコール

各熱交換器の熱交換マップ

パラメトリックな簡易形状を作成

2 “自動プロセス"3D CAD*

計算*

5

“自動プロセス"

3D CFD*

境界条件*

4

Me

sh

*

3

*powered by STAR-CCM+



Embedded CFD

Amesimに統合された自動化プロセス

1D 3D計算結果の自動受渡し



Embedded CFD –主な特徴

• Amesim環境にて実装

• エンコパ内熱解析用のアプリケーションが第1弾として用意

(車室内解析については機能拡張中,その他の領域の拡充も検討中)

• Amesimで設定したパラメータを3D-CFDに反映

• 簡易化した3D形状高速なCFD計算 (*1分程度)

• 2つのモード:

• 定常状態 (Steady State)

• 動的計算 (Transient incluオンデマンド3D計算 (ファンon/off, 温度変化等で

定義した，イベント発生時に3D計算を行う)

• 2コール間のやり取り結果を内挿/外挿補間

*約50 000セル (平均セルサイズ：30mm)



.

Embedded CFD概要



Agenda



Amesim Embedded CFD デモモデル

2つの熱交換器が前後に配置され，デュアルファンが搭載されている

エンコパ内モデル




Amesimコンポーネントに設定されたパラメーターをGUIにて表示

• ラジエータ

• その他コンポーネント




1番目のステップ：簡易3D形状を作成

• STAR-CCM+ にて必要な3D形状情報を取得(HEX, FAN,

BAFFLE, BLOCK, BOUNDARY, …)

The geometry is displayed at the end of the step

形状生成

15s




2番目のステップ：3Dメッシュを作成

• 3Dと1Dでやり取りする状態変数の定義 (import / export)

• 物理的制約や各コンポーネント変数を紐づけ

• 境界条件の設定

• メッシュの作成

作業ステップの最後に，メッシュが作成表示される

自動メッシュ

<60s




3つ目のステップ：計算条件の設定と実行

• 計算条件の設定と実行 GUI

作業ステップの最後に，３D計算結果が表示される

計算実行

<90*s

*CFDコールごとの結果




最後に

• 温度や速度等の結果から，選択したものを3D表示

• 計算値 (平均温度，圧力，流量等) を.csvファイルに出力

出力~10s




カップリングのスキーム

• まず1Dモデル部分の計算を行う

• 1Dモデル計算出力を3D側で読み込む (熱交換量, 車速, ファン駆動状態, …)

• 3D計算を実行

• 3D計算結果を，1D側に受け渡す (熱交換器まわり，温度流速分布マップ)

Heat exchanger load

Fan operation

Car Velocity

Air Velocity map on HEXs

Air Temperature map HEXs

1D 3D




1D側の計算結果も確認可能（Amesim側）

Radiator HT



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Embedded CFD概要



Agenda



他用途への適用可能性

油圧コンポーネント• 詳細な圧力損失計算• ジェットフォース

エンジン熱マネージメント油/水温およびブロック温度

車室内温度• 車室内風流れ分布の計算• 輻射熱解析（形状の考慮）



車室内 Embedded CFD 例

1Dモデルでは車室内を複数容積に分割

3D-CFDで流速分布等を計算



まとめ

主な特徴

• LMS Imagine.Lab Amesimに統一された作業環境

• パラメトリックな3D形状モデル

• 3D CFD (RANS = Reynolds Averaged Navier Stokes)を風流れ計算に使用

• フレキシブルな1D-3D連成方法 (必要なときに3D CFDをコール)

• AmesimのAdd-onライセンスとして機能を提供 (Rev16, Dec 2017)

• 様々な用途への拡張予定 (Rev16以降)

主な利点

• より精緻な解析結果をCADの無い設計初期段階で行うことが出来る

• 3D形状影響を考慮しながら，速い過渡応答シミュレーションが可能

• 詳細なCADを用いた場合とパラメトリックな形状を用いたEmbedded CFDにて計算結

果の良い一致が見られた（弊社内検討結果）

Thank You !

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