《汽车流体及热管理三维仿真分析软件工具测评规范》

T/CAMETAXXXXX-20XXⅡT/BIAIMXXXXX-20XX汽车流体及热管理三维仿真分析软件工具测评规范1范围本文件规定了汽车流体及热管理三维仿真分析软件测评的术语和定义、技术要求与检测方法。本文件适用于已经满足国家和行业标准相关质量、性能的汽车开发。本文件适用于在虚拟环境下进行的汽车流体及热管理三维仿真分析软件测评。2规范性引用文件下列文件中内容通过文中的规范性引用而成为本文件中必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件，不注明日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单或修订版）适用于本文件。GB/T25000.10-2016系统与软件工程系统与软件质量要求和评价(SQuaRE)第10部分：系统与软件质量模型GB/T25000.51-2016系统与软件工程系统与软件质量要求和评价(SQuaRE)第51部分：就绪可用软件产品(RUSP)的质量要求和测试细则GB/T3730.2道路辆质量词汇和代码GB/T12534汽车道路试验方法通则GB/T15089机动车辆及挂车分类JTGB01-2014公路工程技术标准GB/T12542-2020汽车热平衡能力道路试验方法GB/T12782-2022汽车采暖性能要求和试验方法QCT658-2000汽车空调整车降温性能试验方法GB11555-2009汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法GB/12534汽车道路试验方法通则GB/T19596电动汽车术语GB27840重型商用车辆燃料消耗量测量方法GB/T38146.1中国汽车行驶工況第1部分：轻型汽车GB/T38146.2中国汽车行驶工況第2部分：重型商用车辆3术语和定义下列术语和定义适用于本文件3.1环境温度environmenttemperature汽车所在位管环境的气溫。3.2温差temperaturedifference汽车各系统、总成、零部件的温度与环境温度之差。3.3.汽车热平衡motorvehiclesthermalbalance汽车各系统、总成、零部件的溫度与环境温度的温為达到稳定。3.4温差常数tempreturediffereneeconstants汽车热平衡时各系统、总成、零部件的温差。3.5温度限值tempreturelimits汽车制造企业给定的汽车各系统、总成、零部件所允许的最高工作温度。3.6稳态工况steadystatecondition车速在一定时间内保持不变的行驶工况。3.7瞬态工况transientcondition车速在一定时间内连续变化的行驶工况。3.8汽车空调系统AutomaticA/Csystem由暖气装置、制冷装置、通风装置、空气净化装置和加湿装置中的一个或多个部件以及必要的控制部件等构成，用于调节乘员舱内空气的温度、湿度、洁净度，并使其以一定速度在乘员舱内定向流动和分配，从而给驾驶员和乘客提供舒适的环境及新鲜的空气的系统。3.9制冷装置Refrigerationdevice由压缩机、冷凝器、贮液干燥器或液气分离器、节流元件、蒸发器、制冷剂管路等构成，将车室内的热量传递给室外环境的装置。3.10除霜系统defrostingsystem用来融化风窗玻璃外表面上的霜或冰，从而恢复视野的系统。3.11除霜defrosting通过除霜或风窗玻璃刮水器系统的运行去除玻璃外表面上的霜或冰。3.12除雾系统demistingsystem用来清除风衒玻璃内表面冷凝物，从而恢复视野的系统。3.13除雾demisting通过除雾系统的运行除去玻璃内表面上所覆盖的罗。3.14除雾面积demistedarea经除雾后，风窗玻璃内表面上恢复视野的面积。4软件测评设计及方法4.1软件功能测评4.1.1前处理和网格生成软件需要支持网格自动划分功能，网格模块以非结构化的三角形/四边形面网格为基础，提供曲面跟踪、曲率自适应、自动光顺、质量检查等功能。同时，自动面网格划分、边界层（附面层）处理（含自动的曲率自适应处理）、以及阵面推进的四面体网格算法等技术组合在一起，实现了CFD流体分析的“一键式”高度自动化、高质量网格划分。4.1.2边界条件4.1.2.1常见边界条件测试方法如下：a）软件提供边界条件设置选项，包括但不限于支持速度入口、质量流量入口、压力入口等，并支持相关参数设定，并可完成典型案例跑通验证。b）软件提供边界条件设置选项，提供压力出口边界条件，支持相关参数设定，并可完成典型案例跑通验证。4.1.2.2交界面软件支持导入多域网格，并提供交界面设置选项，设置区域交界面的配对关系，实现多个网格计算域的共同求解。气动计算模型中包括汽车计算域、多孔介质域、车轮旋转域、风扇旋转域，支持各计算域交界面的自动匹配和手动匹配。测试方法：软件导入多域网格模型后，可自动识别和匹配各计算域交界面，用户亦可手动创建交界面。可通过任意多域案例进行功能验证。4.1.2.3周期性边界条件测试方法如下：a）软件能够进行平移、旋转周期边界条件的设定；b）通过旋转机械案例测试，给定1/8或1/4模型，两侧给定周期边界条件，进行计算验证，周期边界上计算得到的结果应一致，周期边界上计算结果最大值、最小值、平均值相差不超过1%。4.1.2.4滑移和无滑移壁面边界条件测试方法如下：a）软件提供壁面边界条件，边界条件设置参数包含滑移边界和无滑移边界条件设定；b）计算汽车外气动案例，分别设置地面边界条件为滑移边界和无滑移边界。分析计算结果，无滑移壁面条件计算结果流固边界处速度法向分量和切向分量均为零。滑移壁面条件计算结果流固边界处切向剪切力为零，法向速度为零。4.1.2.5对称边界条件测试方法如下：a）软件能够进行对称边界条件的设定；b）分别通过1/2汽车模型和整车模型进行外气动仿真分析，网格质量相当，1/2汽车模型中心截面设置为对称边界，其他计算条件保持一致，对比两个结果汽车中心截面流场速度分布，相似度>95%。4.1.2.6热相关边界条件测试方法如下：a）.软件支持温度边界，热流边界，对流边界，辐射边界设置；b）通过汽车电池包热管理等共轭传热仿真案例，与商业软件Fluent、StarCCM+分别进行温度边界，热流边界，对流边界，辐射边界条件计算，并保持其他边界条件、材料等关键参数一致，对比计算结果边界温度分布，边界最大值、最小值及平均值偏差<3%。4.1.2.7边界运动设定平移运动设定测试方法如下：a）软件界面支持边界的平移运动设定；b）采用经典方腔流动案例，设置边界为平移运动条件，并与商业软件Fluent、StarCCM+同条件计算结果对比，取流场相同位置线段上点的速度分布，趋势一致，平均偏差<3%。旋转运动设定测试方法如下：a）软件界面支持边界的旋转运动设定；b）通过车内冷却元件风扇性能案例测试，分别采用AICFD和StarCCM+进行仿真分析，设置风扇叶片为旋转运动边界条件，其他主要计算条件保持一致，对比两个结果得到的风扇叶片压力分布曲线，偏差<3%。4.1.3湍流模型软件需要支持雷诺平均模型包括：高Re数型K-Epsilon模型、低Re数型K-Epsilon模型、Spalart-Allmaras一方程模型、标准k-omega模型、k-omegaSST模型。测试方法如下：a）软件界面提供相应湍流模型选项，并支持选择；b）分别采用k-epsilon类模型(Standard、Realizable、RNG)、k-ω类模型(Standard、SST)、DES(DetachedEddySimulation)、DDES(DelayedDES)、IDDES(ImprovedDDES)、LES(Smagorinsky-Lilly、DynamicSmagorinsky、WALE、Dynamick-equation)模型，Spalart-Allmaras模型进行汽车外气动仿真，可以模拟汽车尾部湍流漩涡。4.1.4壁面处理方法测试方法如下：a）软件界面支持选择尺度适应壁面函数、非平衡壁面函数和增强壁函数；b）采用30<Y+<300网格模型，并选择k-ε或k-ω类湍流模型模拟汽车外气动，结果与实验或主流商业软件对比，流场相似。4.1.5传热分析软件需要支持共轭传热模拟，仿真流体域和固体域之间的温度变量传递；具备太阳辐射模型，支持设定不同经度纬度，不同环境压力，不同环境温度，不同季节和不同时间工况下的辐射设置；具备DO辐射模型，DO模型覆盖所有光学厚度的辐射问题，既适用于表面到表面的辐射，也适用于介质参与的辐射问题；支持固体导热模型，计算不同固体区域的导热能力；具备壳导热模型，将固体区域简化为单层面，简化模型的同时仍然可以考虑壳表面的温度分布；支持发射率，透射率和反射率设定，模拟不同材料的辐射特性；支持各向异性的导热系数设定，不同金属或非金属材料的各个方向导热能力不同，更精确地模拟材料特征。测试方法如下：a）软件提供太阳辐射模型，支持设定不同经度纬度，不同环境压力，不同环境温度，不同季节和不同时间工况下的辐射设置；b）通过乘员舱案例计算验证，不同太阳辐射角、不同环境条件下，计算结果有所区别，且变化趋势与实验结果相符；c）乘员舱案例验证，分别将传播介质设置为灰体、空气，在其他条件一致条件下，计算并对比结果，流场温度分布趋势一致，空气参与传播工况中，空气温度高于传播介质设为灰体工况；d）乘员舱案例验证，分别采用同网格模型、采用角辐射模型，同条件计算，达到相同收敛标准后于商业软件计算时间相当且误差＜3%；e）通过多固体域传热案例测试验证，不同固体域设置不同导热系数，通过后处理温度云图比较不同固体域最终温度分布，趋势符合实际材料导热效应，导热系数越高固体传热越快；f）通过案例测试验证，将固体域设置为单层壳体进行传热计算，计算完成后可输出壳体表面温度分布云图；g）通过案例测试验证，针对不同壁面设置不同的发射率、透射率和反射率，可通过后处理云图显示辐射温度分布；h）通过案例测试验证，设置固体材料各向异性导热系数，完成传热分析后通过后处理温度分布分析，可展示材料不同方向导热速度不同。4.1.6气动噪声分析软件需要支持基于RANS湍流建模方法的宽带噪声源模型，用以计算主要噪声源的位置和强度，可支持评估偶极子、四极子生成的噪声。软件需要支持FfowcsWillianms-Hawkings（FW-H）模型，用以远场噪声预测，通过CFD求解得出的近场流体数据预测设定的接收器位置处的小振幅声压波动。测试方法如下：a）通过气动噪声案例测试验证，软件提供基于RANS湍流建模方法的噪声模型选项，完成计算后，软件可输出主要噪声源的位置和强度；b）通过偶极子、四极子等价声源噪声模拟测试，可计算声源强度和位置；c）通过气动噪声案例计算验证，软件提供FW-H噪声模型选项，可设定接受器位置，完成流场求解后，可输出接收器位置处的声压频谱曲线。4.1.7瞬态和稳态分析软件支持支持稳态/瞬态计算设定，并提供SIMPLE、PISO、Coupled耦合形式，可通过圆柱扰流经典案例验证不同雷诺数下，采用不同形式求解之间的迭代次数和流场形态的差别。软件界面提供瞬态计算内迭代步数设置参数，可通过乘员舱等案例进行计算验证，设置不同内迭代步，案例计算时间有所区别。软件界面支持固定时间步长和自适应时间步长选项，可通过同一案例进行对比验证两种模式下计算时间的区别。4.1.8多重参考系软件需要支持轮胎旋转模拟，包括切向速度法和多重参考系法（MRF），支持动网格法（MovingMesh）。测试方法：软件通过设置轮胎计算域不同的仿真参数，即转动和不转动，对比最后的流场计算结果和阻力系数的差异。4.1.9多相流模型软件需要具备两相流VOF功能，模拟冷却通道中冷却液的瞬态分布，捕捉气液两相的交界面。通过电池包案例仿真，模拟冷去通道中的冷却液瞬态分布，通过后处理分析，可清晰显示气液两相交界面。4.1.10多孔介质模型软件需支持多孔介质模型，通过设定阻力方向及惯性系数、粘性系数，模拟换热器对空气的阻力效应。测试方法如下：a）软件界面支持设定多孔介质区域，支持设置阻力方向及惯性系数、粘性系数；b）验证案例：模拟整车外气动时，分别采用未简化的换热器区域和简化为多孔介质区域进行计算，对比计算结果阻力系数，验证多孔介质的简化处理的计算效率和精度。4.1.11用户自定义软件需要支持自定义物性参数、批量设置平面热源、导入风扇PQ曲线等，支持UDF（User-definedfunctions）功能，支持通过UDF实现自定义边界、自定义初始化、自定义质量/动量/能量守恒方程源项。通过案例测试，并于商软进行对比验证，相同设置条件下，两款软件计算结果定性相似，定量偏差<3%。4.1.12后处理软件为了仿真结果的可视化和分析仿真结果，并为用户提供定制化的仿真报告，提供了以下功能：等值线与等值面：可动态显示等值线，并对等值线单独添加标注；可基于标量、矢量、坐标值建立等值面和等值体。粒子追踪：可创建流线、迹线、烟线以及表面流线；可以线状、带状、管状等不同的形式表现粒子追踪轨迹；可基于点、线、面或部件发射流线；可使用鼠标操纵来实现流线的动态交互显示。云图：可查看流量任意空间位置的物理量分布显示。矢量图：可使用箭头显示向量的大小与方向；可根据喜好定义箭头风格、颜色、比例、起点位置等；可使用曲线箭头显示局部曲率变化。二维图表：可基于二维图表进行数据分析和展示。动画制作：可创建粒子追踪动画、平面剪切扫略、等值面移动等动画；可利用动画书功能创建过渡过程数据的翻页动画，来虚拟显示几何体的变化；可基于瞬态数据加载动画；可创建关键帧动画来表现模型自动漫游与缩放。数据导出：支持导出特定位置流场流动和温度信息。数据查询：可获知任意坐标点、节点、单元、部件与模型的信息。测试方法如下：a）对计算结果创建平面，用户可通过位置设置参数和快捷工具创建所需要截面；b）对各个平面创建云图对象，可显示速度、压力等变量；c）创建等值面；d）结果输出变量包含涡量、压力、压力系数等；e）创建流线对象，可通过线、平面、球体等方式辅助创建。4.1.13兼容性和软件接口4.1.13.1主流CAD文件接口软件需要支持主流CAD软件三维数模读取，包括igs、stp、x_t、stl等。测试方法如下：a）软件界面提供.igs、.stp、.stl等几何格式导入选项；b）分别导入.igs、.stp、.stl等通用格式几何文件，软件可正确显示几何模型、几何部件，并支持几何部件点选等操作。4.1.13.2网格文件接口软件需要具备导入其他主流网格格式的功能，包括ANSYSFluent的.msh文件、STAR-CCM+的.ccm文件和通用CFD仿真文件.cgns。测试方法：通过第三方网格划分软件所划分的.ccm或.msh网格文件导入测试，并支持对网格计算域、边界设置计算条件，进行求解计算。4.1.14软件安全性能软件需要支持对工程文件加密的加密处理，采用加密算法在输出工程文件时对几何数据、网格数据、仿真数据和后处理数据等进行压缩加密。软件需要支持浮动式License管理，通过license控制软件feature及有效期等使用权益。4.1.15部署方式和环境兼容软件需要支持主流Windows（Win10及以上）、Linux（CentOS7系列，Ubuntu18.04LTS以上）操作系统，许可证可以在内部局域网内浮动使用，支持64位操作系统。软件提供多种部署方式，支持单机版、集群版、云平台等部署方式。4.2软件性能测评4.2.1计算精度软件支持空气动力学、热管理、气动噪声、空调舒适性及水管理分析，计算精度通过与选取算例模型试验误差判定；4.2.2计算速度监测流体及热管理分析计算工具在不同级别算例模型下的总体计算时间。4.2.3内存占用监测流体及热管理分析计算工具在不同级别算例模型的内存占用情况。4.2.4并行计算软件需支持高效并行计算，支持共享内存式和分布式CPU并行计算，在使用高性能计算集群时不限制使用核数。软件需要支持上亿规模的网格导入、显示、求解计算和后处理；通过案例进行测试验证，软件界面支持导入亿万规模的网格模型导入，导入后可在视口界面显示网格三维信息，通过必要求解参数设置后，可完成结果计算。4.2.5数值稳定性通过连续多次求解,评估NVH分析计算工具的数值稳定性。5汽车应用场景定义5.1汽车空气动力学性能开发5.1.1汽车空气动力学分析软件需要支持整车风阻分析，可协助空气动力学问题定位及优化，整车模型包括车身、底盘、动力系统、内外饰、电子电器等所有结构。空气动力学涉及概念庞大，包括风阻、升力、侧向力、纵倾力矩、横摆力矩、侧倾力矩、气流状况压力分布等等，对汽车的耗能量，操控性，安全性，辅助设备功能，舒适性等都造成影响。空气动力学性能关系整车动力经济性，是降低整车能耗的重要手段。5.1.2汽车污染物分析软件需要支持污染物分析，可协助车身周边污染物问题定位及优化，整车模型包括车身、底盘、动力系统、内外饰、电子电器等所有结构。汽车运行工况复杂，车身周边气流紊乱，通过污染物分析可降低前、后轮周边紊乱流场及泥污对车身的污染水平，以及提升驾驶员在恶劣环境及道路工况的行车安全性。5.2汽车热管理性能开发5.2.1机舱热管理/热害分析软件需要支持整车热管理及热害分析，整车模型包括车身、底盘、动力系统、内外饰、电子电器等所有结构。散热状况恶化，将严重影响汽车发动机的动力性和经济性，因此，如何让冷却空气在经过发动机舱时充分、有组织、高效地将热量带出，是发动机舱热管理的主要工作，观察发动机舱内流动死角和高温回流等现象，对多种优化方案进行预测评估。5.2.2动力电池包热管理分析软件需要支持电池包散热分析。动力电池在充电及车辆运行过程中产生大量的热且随时间的累积在相对狭小的空间内积聚，设计不合理会降低电池的充放电效率，严重时还会导致热失控，影响系统的安全性和寿命。电池热管理系统设计的主要目标是：在考虑空间布置、设计成本、轻量化等条件下，通过加热或冷却控制，保证电池工作在适宜的工作温度。5.2.3电机热管理分析软件需要支持电机热管理分析。电机是新能源汽车的主要动力输出装置，在车辆使用过程中，电机会产生大量的热量，电机冷却系统将这些热量带走，使电机保持在合适的工作温度。通过三维CFD仿真，可以计算各种工况下电机的温度分布，通过优化空间布置，冷却水道设计，工况参数等方式使电机工作在合适的工作温度。5.2.4电控单元热管理分析软件需要支持电控单元热管理分析。电控单元使是新能源汽车的大脑，在车辆使用过程中，电控单元会持续释放热量，电控单元冷却系统将这些热量带走，使电控单元保持在合适的工作温度。通过三维CFD仿真，可以计算各种工况下电控单元的温度分布，通过优化空间布置，冷却系统设计，工况参数等方式使电控单元工作在合适的工作温度。5.3汽车风噪性能开发5.3.1汽车外流场风噪分析软件需要支持风噪分析。常用汽车风噪声研究验证方法为采用CFD与CAA混合的方法，精确描述紊流导致的噪声源：后视镜后部形成的尾迹区域；侧窗和A柱区域形成的湍流区。汽车风噪声主要由A柱和后视镜等设计产生的湍流产生，当汽车行驶速度大于100km/h时，外部风噪声通过侧窗壁面湍流压力脉动形式和声学压力脉动形式传入车内。5.3.2空调噪声分析软件需要支持空调噪声分析。汽车空调系统拥有非常复杂的内部和外部结构，包括：空调滤清器，鼓风机，蒸发器，暖风芯体，温度传感器，风门混合单元和形状各异的送风管道等等，主机厂在设计一套全新的汽车空调系统时，需要在送风量，冷热量和声学性能之间实现多学科性能的优化，最终定型，否则会严重影响驾乘舒适度。5.4汽车空调性能开发5.4.1空调采暖性能分析软件需要支持采暖性能分析，通过优化采暖风道阻力特性及合理匹配热源功率，使得汽车采暖性能满足企业标准。空调采暖系统风道设计要满足压损、流量分配以及总布置方面的要求。通过三维CFD仿真，可以计算风道压损、流量分配分析优化、特定工况下乘员/乘员舱监测点的温升等内容。5.4.2汽车空调降温性能分析软件需要支持降温性能分析，通过优化降温风道阻力特性及合理匹配制冷量，使得汽车降温性能满足企业标准。空调降温系统风道设计要满足压损、流量分配以及总布置方面的要求。通过三维CFD仿真，可以计算风道压损、流量分配分析优化、特定工况下乘员乘员舱监测点的降温等内容。5.4.3汽车除霜/除雾性能分析软件需要支持除霜/除雾性能分析，通过优化除霜/除雾风道阻力特性及合理匹配热源功率，使得汽车除霜/除雾性能满足国标及企业标准。除霜/除雾系统风道设计要满足压损、流量分配以及总布置方面的要求。通过三维CFD仿真，可以计算风道压损、流量分配分析优化、前风窗及侧风窗除霜/除雾效率等内容。5.4.4乘员舱舒适性分析软件需要支持乘员舒适性分析，通过特定工况下的空调采暖及降温分析，获得PMV及PPD指标，使得乘员舒适性指标满足企业标准。通过建立三维CFD模型，进行仿真模拟，得到乘员舱内流场、空气流速、温度、相对湿度和平均辐射温度等方面进行分析，同时使用加权后的PMV及PPD等指标对乘员热舒适性进行评价。5.5汽车水管理性能开发5.5.1汽车涉水性能分析软件需要支持整车涉水分析，整车模型包括车身、底盘、动力系统、内外饰、电子电器等所有结构。涉水分析规避问题如下：车辆在涉水后容易导致各电路接口和插口进水；车辆在过水路面时，大量的积水会冲击到车内防火墙上，压力大，时问过长，防火墙会出现渗水现象；环境水进入进气管导致气缸进水，对润滑系统影响较大。5.5.2雨水管理分析软件需要支持雨水管理分析，主要包括A柱溢流、淋雨分析仿真。整车模型包括车身、底盘、动力系统、内外饰、电子电器等所有结构。A柱溢流主要研究雨水在前风挡形成液膜后，通过A柱溢流至测窗对侧窗视野的影响。淋雨分