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モータースポーツ:冷却流れ

様々なプレッシャーの元で冷却を維持する


非効率的な冷却によってファン内に発生した過度の再循環。 右:設計変更によりシュラウドを取り付けることで、再循環が大幅に軽減され、床下の車両部品の冷却効率が向上。

熱交換器を通る十分な冷却流れを確保することは、車両の熱マネージメントにとり最も重要な要素です。エンジン冷却、トランスミッション、HVAC、パワーステアリングなど車両システムの多くには重要な冷却要件があり、その熱効率は燃費、性能、人体快適性に直接的な影響を及ぼします。冷却流れマネージメントシステムの設計では、フロントエンドの外観に関する制約と設計上の問題や、空力性能などその他の性能特性とのトレードオフについても考慮しなければなりません。

近年の自動車業界では、排熱要件がより厳しくなる中、さらにパワフルなエンジンが求められる傾向にあります。また、これまで以上にタイトな床下のパッケージングは、効率的な冷却流れシステムの設計に重要な課題をもたらしています。自動車メーカーは保証要件を順守するために、エンジンやトランスミッションなどサプライヤから供給される部品が、特定の温度範囲で動作することも保証しなければなりません。これには、熱部品やシステムの冷却を、製品開発の初期段階で正確に予測することが不可欠です。

技術課題

冷却流れの正確な予測には、実際の運転条件下で、熱マネージメントシステムの性能を確実に予測することが必要です。熱システムからの熱による空気密度と温度の変化とともに、ラムエアと冷却ファンの流れが、複雑に相互作用することから、床下流れのパターンと温度分布は非常に複雑で非定常なものとなっています。さらにこれらの要素は、車両の運転条件と形状の細部に大きく影響されます。したがって、冷却流れの予測に関係する物理特性を捕捉するためには、高品質なシミュレーションが必要になります。

車両の熱マネージメントはシステム設計上の課題です。最近の車両でよく見られる複数の熱交換器と、冷却ファン、シュラウド、エンジンブロックなどの床下部品、さらにシステムレベルの制御器との間には、複雑な相互作用があります。システムレベルで最適な性能を得るためには、システム全体を解析する必要があります。

ソリューション


PowerFLOW独自の本質的に非定常な格子ボルツマン法に基づく物理特性により、最も複雑な形状に対しても実世界での非定常条件を正確にシミュレートすることが可能です。それぞれのシミュレーションでは、車両の周囲で発生した空気の流れがエンジンルームと床下を通過する動きを、時間に正確に予測します。空気密度と温度の変動、そして速度場に対するそれらの影響がすべて計算されます。これは、浮力効果が大きいアイドリング状態で特に重要になります。極めて詳細な形状をシミュレートすることで、局所的な流れ場における、漏れや再循環を防止するシールなど細かい形状の変化がもたらす効果を精査することが可能になります。冷却ファンは、特に低速走行時において冷却流れを促進する重要なメカニズムです。PowerFLOWの実際に回転する形状機能により、動きのある冷却ファンの正確なシミュレーションを実現します。


熱交換器に対する排熱は、完全連成の熱交換器モデリングツールであるPowerCOOLを用いて計算されます。PowerCOOLではPowerFLOWから得た正確な流れ分布データを入力値として、クーラント側の温度分布、上部タンク温度、排熱情報を出力します。PowerCOOLでは、ラジエーター、インタークーラー、オイルクーラー、コンデンサーなど、クロスフロー型の多様な自動車用小型熱交換器を扱うことができます。

この連成シミュレーションでは、以下の解析が可能です。

  • 車両のさまざまな運転条件(高速、低速、アイドリング状態)の下、車両の内部条件(複数の熱交換器、ファン、シュラウド、ブロッケージ効果を含む)に即した熱交換器とファンの性能を推定する。

  • 冷却パッケージ個々の部品設計を改良し、効率性を高める。

  • 熱設計の制限に対して、冷却システムの多様なレイアウトコンセプトを分析する。

  • 車両のフロントエンド設計(グリル開口部のサイズ、位置、構造)と冷却流れとの関係を特定する。

  • 床下部品のレイアウトを最適化し、車両の空気抵抗全般に関わる冷却流れに対するシステムの問題を最小にする。

PowerFLOWの冷却流れソリューションを活用することで、熱風洞による実験を大幅に低減することができます。また、冷却パッケージの設計とテストは、プロトタイプを作成する以前の段階で行うことができます。このため設計コストが大幅に削減され、最初のプロトタイプの品質も劇的に向上します。Renault社では、熱風洞での実験に要する時間が約30%削減されたとの報告がありました。AGCO社(農業機器メーカー)とBentley社(高性能車両メーカー)からも、冷却性能の著しい向上が報告されております。

EXA SOFTWARE USED FOR THIS APPLICATION

Simulation Preparation: 
Results Analysis: