一个汽车冷却系统的设计

在当今的汽车领域，许多系统和零部件在设计过程中都需要进行计算流体力学(CFD)分析来确保其最佳的性能、可靠性、成本和上市时间。这些系统和零部件有可能是结构件，也有可能是电子元件，或者两者皆是。CFD分析是系统设计的三大方法之一。除此之外，系统设计中还有一种方法是制作物理样机，测试物理样机，之后对设计进行优化改进，并且需要重复这个过程，这种方法花费极为昂贵和并且十分费时。还有另外一种方法就是过度设计，这会带来“安全”的解决方案，但可能成本效益较低，而且可能对想在窄带宽中运行的系统的性能造成损失。在设计早期和整个设计过程中将“虚拟样机”结合CFD分析，能以较低的成本（更少物理样机）提供最优化的系统，并让系统更快上市。

复杂汽车系统中非常有代表性的例子是发动机和润滑油冷却系统。说它复杂是因为它不仅包含冷却液输送管道系统，还包含能真正使发动机冷却的发动机冷却水套等零部件。让我们来探讨这一设计过程能如何进展以及CFD工具如何用于优化这一系统。

关键的工具选择

假设我们为一家正在开发新汽车模型的汽车公司工作，但我们希望使用经过多年验证的可靠发动机。我们必须设计一种新的冷却系统，它将使用这种发动机，但要求发动机和车厢具备新的管道系统。我有两种CFD分析工具，其中一种能用于分析管道系统，可视为一维（指流体在冷却液管道中单向流动）分析。另一种三维工具能分析复杂流体流动和热交换的零部件。所要设计的系统明显是一维管道系统和三维复杂零部件的结合，我该用哪种CFD工具来分析这个系统呢？

图1：该汽车冷却系统包含简单的管道，以及发动机水套等非常复杂的零部件

仿真分析一维工具明显比三维工具快得多，但在模拟复杂的水套时准确度不够。但如果我们只使用三维CFD工具来分析整个系统，我们可以得到我们需要的准确结果，但仿真计算时间将会太长，从而不能实现利用数种设计方法进行虚拟实验的目的。最好的方法还是整合一维和三维工具以及利用二者特长。