Simulaciones de desempañado de faros delanteros de automóviles iluminados: un enfoque digitalizado
miércoles, 19 febrero, 2025
El término gemelo digital se está utilizando cada vez más. Representa un concepto en el que se crea una réplica digital de un objeto, o incluso de un ser vivo, para comprender, diseñar y optimizar mejor y más rápidamente el gemelo real. Los flujos de trabajo de gemelos digitales habituales en Dassault Systèmes para la industria automotriz incluyen la comprensión de la aerodinámica del vehículo, el comportamiento de la suciedad, la aeroacústica del ruido del viento y del ventilador, así como el rendimiento térmico del compartimiento del motor. Un área de aplicación, hasta ahora inexplorada, es la característica de descongelación térmica del faro, donde una capa de hielo en el faro se derrite hasta convertirse en una fase líquida. Para ilustrar que un escenario de cambio de fase también se puede modelar utilizando uno de los solucionadores de dinámica de fluidos computacional (CFD) patentados de Dassault Systèmes, se inició un intercambio con Weldex , un proveedor global de primer nivel de la industria automotriz de cámaras, monitores LCD y luces LED. La geometría CAD del faro, las condiciones de configuración/prueba y los resultados experimentales son proporcionados por Weldex, mientras que el software utilizado para replicar el escenario de descongelación en el dominio digital es proporcionado por Dassault Systèmes.
En primer lugar, se describe la geometría CAD del faro y el software CFD utilizado. El faro se muestra en la Figura 1, donde la Figura 1a muestra toda la carcasa del faro y la Figura 1b ilustra el faro sin la cubierta frontal para ilustrar los elementos/cables de calefacción. Mientras tanto, el solucionador CFD utilizado para el escenario de descongelación es FMK. Es el solucionador basado en volúmenes finitos que está integrado directamente en la Plataforma 3DEXPERIENCE de Dassault Systèmes . Específicamente, disponible a través del rol de Ingeniero de Dinámica de Fluidos, FMK está vinculado a las aplicaciones CAD de CATIA en la Plataforma 3DEXPERIENCE, lo que permite el modelado y la simulación conectados (MODSIM). Este es uno de los pilares estratégicos de Dassault Systèmes: MODSIM desplaza a la izquierda el ciclo de desarrollo del producto al acortar los tiempos de diseño y permitir que los cambios de geometría CAD se actualicen inmediatamente en la configuración de simulación asociada.
Después de haber presentado la geometría del faro de Weldex, así como el solucionador CFD que se utilizará para simular el comportamiento de descongelación del faro en el dominio digital, ahora se describe la configuración de la simulación. Esto comienza con la discretización del dominio del fluido, que es el aire, y la discretización de los componentes sólidos, que incluye la capa de hielo. Como se ilustra en la figura 2, el dominio del fluido se malla utilizando elementos hexaédricos.
Figura 2: El dominio del fluido discretizado hexaédrico (es decir, aire): (a) vista no seccionada, (b) vista seccionada y (c) vista de la capa prismática
Se ha mejorado la aproximación a la entrada de estancamiento del dominio del fluido y a la salida de presión (Figura 2a y 2b), así como cerca de los límites del faro (Figura 2b). Junto a los límites sólidos, se aplican celdas de capa prismática (Figura 2c) para capturar con mayor precisión la capa límite en desarrollo. Con respecto a los componentes sólidos, se discretizan utilizando una malla tetraédrica (Figura 3). Con base en los datos experimentales de pulverización de líquido/hielo proporcionados por Weldex, la capa de hielo discretizada tetraédrica se inicializa a un espesor de aproximadamente 1 mm, como se hace en la configuración experimental.
Figura 3: Los componentes sólidos discretizados tetraédricos, que incluyen la capa de hielo de aproximadamente 1 mm de espesor.
A continuación, los materiales elegidos para los distintos componentes son los siguientes:
Figura 4: Capacidad calorífica específica del agua
Además, para tener en cuenta la turbulencia, se selecciona el modelo k-E realizable Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS). Se elige porque la captura precisa de los puntos de separación del flujo no es el objetivo de esta simulación de descongelación, sino la resolución precisa más general del comportamiento térmico en todo el dominio del flujo. Para completar la especificación física, se habilitan los efectos térmicos, que incluyen el modelo de radiación de trazado de rayos de superficie a superficie, y se enciende la gravedad para tener en cuenta la convección natural en forma de flotabilidad. Como condiciones iniciales, las propiedades generales del aire se establecen en -20 °C para la temperatura, 0 Pa para la presión manométrica y 0 m/s para la velocidad del flujo. Para inicializar los parámetros del modelo k-E realizable, se establece una intensidad de turbulencia de 0,1, se especifica una relación de viscosidad de turbulencia de 100 y la escala de velocidad se establece en 1 m/s. Mientras tanto, la temperatura de la superficie del faro también se inicializa a -20 °C. Para las condiciones de contorno se aplican las siguientes:
Antes de analizar los resultados, es necesario explicar la configuración del solucionador transitorio de la simulación. El tiempo de simulación física se establece en 1000 segundos para cubrir los datos experimentales disponibles. Mientras tanto, aunque FMK es un solucionador implícito, se especifica una condición de Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) para dictar el tamaño del paso de tiempo de la simulación. Aquí, el número de CFL se establece en 5000. A medida que avanza la simulación, el paso de tiempo aumenta (es decir, se hace más grande) hasta que se cumple la condición de CFL de 5000. El límite de saturación se produce en un tamaño de paso de tiempo de simulación de 5 segundos.
Una vez descrita en detalle la configuración de la simulación, los resultados de la descongelación de los faros de la cámara climática digital se comparan ahora con los datos de progresión de la descongelación del mundo real proporcionados por Weldex. Los datos se presentan en dos formas: (1) un gráfico de evolución de la temperatura unidimensional y (2) gráficos de contorno de temperatura tridimensionales. El gráfico de desarrollo de la temperatura unidimensional se deriva de las mediciones tomadas en la ubicación de la sonda que se muestra en la figura 1a. Al observar la figura 5, se puede discernir que el cambio de fase comienza marginalmente antes (es decir, alrededor de 0,5 minutos) en el experimento que en la simulación. Sin embargo, en la ubicación de la sonda especificada, el cambio de fase de hielo a agua líquida se completa en el mismo tiempo de aproximadamente 9,8 minutos tanto en el experimento como en la simulación. La evolución lineal de la temperatura a partir de entonces es un poco más pronunciada en el experimento que en la simulación. Específicamente, a los 15 minutos desde que se encienden los cables de calentamiento, la ubicación de la sonda en el experimento es aproximadamente 4 °C más cálida que en la simulación. Estas temperaturas ligeramente más altas en el experimento se confirman al observar los gráficos de contorno de temperatura tridimensionales de la figura 6: en todo momento, excepto en el tiempo de 0 minutos, las temperaturas de la superficie del faro son más altas en las imágenes experimentales que en las imágenes de la simulación. Esta discrepancia entre el experimento y la simulación podría atribuirse al hecho de que el espesor de la capa de hielo no se pudo medir con una precisión del 100%: la capa de hielo podría haber sido ligeramente más gruesa en la simulación que en el experimento. No obstante, la correlación sigue siendo buena y, lo que es más importante, el cliente la considera aceptable.
Figura 6: Gráficos de contorno de temperatura tridimensionales
Figura 5: Gráfico unidimensional de evolución de la temperatura
En conclusión, se ha simulado con éxito un escenario de descongelación para una geometría de faro de Weldex utilizando el rol de ingeniero de dinámica de fluidos de la plataforma 3DEXPERIENCE . La simulación trae consigo dos ventajas importantes sobre su contraparte experimental en el banco de pruebas: (a) uno tiene acceso a los valores de temperatura y velocidad de flujo en cada punto de la malla del dominio computacional (es decir, uno recopila mucha más información sobre la física del problema), y (b) el proceso de diseño se desplaza a la izquierda debido a las capacidades MODSIM de la plataforma 3DEXPERIENCE, donde la configuración de CAD y simulación están inherentemente vinculadas. En general, esta historia de referencia de cliente es un ejemplo más de cómo Dassault Systèmes utiliza el software “para proporcionar a las empresas y a las personas universos virtuales para imaginar innovaciones sostenibles capaces de armonizar el producto, la naturaleza y la vida.
Un artículo tomado de 3DEXPERIENCE Blog
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