Modular methodology for transient vehicle thermal management simulations

Abstract

Fahrzeug-Wärmemanagement Simulationen (VTM) sind ein wichtiger Schritt in der Entwicklungsphase eines Fahrzeugs. Sie helfen dabei, die Temperaturprofile kritischer Komponenten über einen Fahrzyklus vorherzusagen und Komponenten zu identifizieren, deren Temperaturgrenzwerte überschritten werden. Diese Simulationen können mit zwei verschiedenen Methoden durchgeführt werden: 1) Jede Gleichung der Wärmeübertragung (Konvektion, Strahlung und Leitung) wird von einen einzigen Solver gelöst 2.) Die Konvektion wird von einem CFD Solver und die anderen Mechanismen von einem separaten Thermo-Solver. Der erste Ansatz wird als konjugierte Wärmeübertragungssimulation bezeichnet und ist normalerweise rechenintensiv. Die zweite Methode wird als Co-Simulation bezeichnet und ist im Vergleich zu den Simulationen für konjugierte Wärmeübertragung rechnerisch weniger intensiv. Dies liegt daran, dass dieser Ansatz die Last der Simulation aller Wärmeübertragungsmechanismen in einem einzigen Code reduziert. Die für die Simulation verwendeten Modelle können dann auch vereinfacht werden, was zu einer weiteren Verringerung der Rechenlast führt. Aus diesem Grund ist die Co-Simulationsmethode in der Automobilindustrie weit verbreitet. Traditionell sind die für die Co-Simulationsprozesse entwickelten Methoden spezifisch für den Lastfall, der simuliert wird. Diese Studie konzentriert sich auf die Entwicklung einer neuen Methodik für den Co-Simulationsprozess, die für verschiedene Lastfälle verwendet werden kann. Dies geschieht durch einen modularen Ansatz des Prozesses. Die gesamte Methodik ist in drei Module unterteilt: 1.) das Lüftermodul, 2.) das Wärmetauschermodul und 3.) das Abgasanlagenmodul. Durch die Kombination der verschiedenen Modellierungstechniken für diese Module, können verschiedene Lastfälle simuliert werden. Für das Lüftermodul wurde ein neuer Ansatz entwickelt, der a.) Kürzere Simulationszeiten und b.) Simulation dynamischer Lüfterdrehzahlen ermöglicht. Es wurde ein Ansatz für das Wärmetauschermodul entwickelt, mit dem die Abkühlphase des Wärmetauschers während des Nachheizen Phases genau modelliert werden kann. Das Abgasanlagenmodul wurde unter Verwendung eines 1D / 3D-Hybridansatzes entwickelt, bei dem die Komponenten, die das Abgas mit einer Enthalpiewechsel verstärken, als 1D modelliert wurden und einfache Komponenten wie Rohre in 3D modelliert wurden. Dies hat den Vorteil, dass die Geschwindigkeit von 1D-Simulationen mit der räumlichen Genauigkeit von 3DSimulationen kombiniert wird. Zur Validierung der Methodik wurde ein breites Spektrum an Experimenten hinsichtlich der Randbedingungen ausgewählt. Dies wurde gemacht, um die Modularität des Ansatzes zu testen. Als Lastfälle wurden eine konstante Bergfahrt mit 60 km/h, Thermal Soak (Nachheizen) und Stop & Go gewählt. Die Simulationen zeigten im Vergleich zu den Experimenten ermutigende Ergebnisse. Dies ermöglicht die Erstellung einer gemeinsamen Methodik zur Simulation eines virtuellen Testschemas nach gängigen Teststandards in der gesamten Automobilindustrie.

Vehicle thermal management (VTM) simulations constitute an important step in the development phase of a vehicle. They help in predicting the temperature profiles of critical components over a drive cycle and identify components which are exceeding temperature design limits. These simulations can be done using two different methodologies: 1) Solve every aspect of the heat transfer i.e convection, radiation and conduction, in a single solver or 2.) Simulate convection using a fluid solver and compute the other two mechanisms using a separate thermal solver. The first approach is called Conjugate Heat Transfer simulation and is usually computationally intensive. The second method is called Co- Simulation and is computationally less intensive as compared to the Conjugate Heat Transfer simulations. This is because this approach reduces the load of simulating all heat transfer mechanisms in a single code. The models used for the simulation can also then be simplified leading to further reduction in computational load. For this reason the Co-Simulation method is widely used in the automotive industry. Traditionally, the methods developed for the Co-Simulation processes are specific to the loadcase being simulated. This study focuses on the development of a new methodology for the Co- Simulation process that can be used across various loadcases. This is done by adopting a modular approach to the process. The entire methodology is split into three modules: 1.) The Fan Module, 2.) The Cooling Circuit Module and 3.) The Exhaust System Module. By combining the various modelling techniques for these modules, an array of different loadcases can be simulated. For the Fan Module, a new approach has been developed that enables a.) Faster simulation times and b.) Simulation of dynamic fan speeds. An approach for the Cooling Circuit Module has been developed that allows for the cooling down phase of the heat exchanger during Thermal Soak to be accurately modelled. The Exhaust System Module has been developed using a 1D/3D hybrid approach, wherein the components that augment the exhaust gas with an enthalpy change have been modelled as 1D and simple components such as pipes have been modelled in 3D. This has the advantage of combining the speed of 1D simulations with the spatial accuracy of 3D simulations. A broad spectrum of experiments, in terms of boundary conditions, was chosen to validate the methodology. This was done to test the modularity of the approach. The tests chosen were constant uphill drive at 60 km/h, Thermal Soak and Stop & Go. The simulations showed encouraging results in comparison to the experiments. This enables the creation of a common methodology for simulating a virtual testing scheme according to common testing standards across the automotive industry.