Flowmaster V7简介及汽车热管理系统及空气侧系统解决方案

北京海基科技发展有限责任公司

2009年 8月

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目 录

1 Flowmaster V7介绍.........................................................................31.1精确预测系统参数.............................................................................................................31.2完备的分析模块.................................................................................................................51.3完备的元件库、数据库及用户自定义模型功能.............................................................61.4流程化的平台界面.............................................................................................................91.5强大的报表生成工具（Crystal Report）........................................................................11

2 Flowmaster仿真平台解决方案.........................................................122.1热流体系统中心数据库的建立.......................................................................................13

2.1.1分布式安装与中心数据库的建立........................................................................132.1.2专业数据库的定制................................................................................................132.1.3强大的数据管理功能............................................................................................14

2.2智能建模与专家系统.......................................................................................................152.3项目成员与角色分工.......................................................................................................162.4软件集成与半实物仿真...................................................................................................17

2.4.1 Flowmaster支持基于 COM的开发.....................................................................172.4.2 Flowmaster与 PLM/PDM/CAD系统的集成.......................................................172.4.3与三维 CFD软件和MATLAB软件的耦合仿真.................................................182.4.4与AVL Cruise\BOOST的接口.............................................................................192.4.5与AVL EXCITE的接口........................................................................................202.4.6通过MpCCI实现多物理场耦合..........................................................................222.4.7与OFFICE软件的接口........................................................................................222.4.8半实物仿真............................................................................................................23

2.5产品全生命周期的应用与流程自动化...........................................................................242.6决策支持...........................................................................................................................25

3 Flowmaster在汽车热管理系统的应用...............................................263.1 汽车热管理简介..............................................................................................................263.2 典型部件模型..................................................................................................................29

3.2.1 管道.......................................................................................................................293.2.2 换热器...................................................................................................................313.2.3节温器模型............................................................................................................333.2.4膨胀水箱................................................................................................................333.2.5冷却风扇................................................................................................................34

4 Flowmaster在汽车空气侧系统的应用................................................354.1 AVS模块..........................................................................................................................354.2 空气侧系统应用案例介绍...............................................................................................37

5 Flowmaster在国内外汽车领域典型客户的应用介绍.............................41

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1 Flowmaster V7 介绍

Flowmaster是当今全球最为著名的热流体系统仿真分析平台，以其高效的

计算效率，精确的求解能力、便捷快速的建模方式及面向能源核电行业的专业性

而被许多全球著名的能源领域用户所采用。Flowmaster是英国 FML公司的产品,

开发 FLOWMSTER的想法来自英国流体力学研究协会的一个关于能源核电的研

究项目，此协会在全世界的流体系统研究领域享有很高的声誉。目前该公司不但

提供领先的一维流体系统仿真软件 Flowmaster，同时也向客户提供技术咨询，

技术合作等服务。到目前为止，已有 1000多家公司购买了 Flowmaster，共 2000

多个使用许可，用户遍布世界上 40个国家和地区。 Flowmaster已经通过了

ISO9001认证。Flowmaster的最新版本 V7，秉承了旧版本的一贯特点，同时强调多用户环

境下的协同性及平台的开放性，非常适合企业级的多用户仿真分析平台的构建，

其优势体现在：

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1.1 精确预测系统参数

Flowmaster是专为流体系统开发设计的仿真工具，可以精确的对流体系统

进行压力、流量、流速、温度等参数的分析。精确预测其稳态工况下及瞬态工况下

这些关键参数的变化规律，并帮助工程师理解这些变化对系统性能的影响。Flowmaster中的元件模型主要基于压力－流量关系，因此对系统压力分布、

流量分布及元件流阻、流量及流速进行精确计算是软件的基本功能。用户对元件

进行建模时只需输入能够反映元件流阻特性的数据就可以了。作为一个开放的仿

真平台，Flowmaster支持用户对元件进行几何参数建模、实验数据建模或直接利

用 Flowmaster的实验数据库进行直接建模等。对于由多个元件组成的流体系统，Flowmaster的解算器利用迭代求解系数

矩阵的方式计算出系统的节点压力，然后根据元件的流阻特性及流量守恒的原

理得到主干和分支的流量，进而得到流速、雷诺数、马赫数等参数。对于热流体

系统，F对于由多个元件组成的流体系统，Flowmaster的解算器利用迭代求解

系数矩阵的方式计算出系统的节点压力，然后根据元件的流阻特性及流量守恒

的原理得到主干和分支的流量，进而得到流速、雷诺数、马赫数等参数。对于热4

流体系统，Flowmaster将动量方程、连续性方程和能量方程同时进行耦合求解，

根据系统自带或用户输入的元件热性能参数，考虑元件与流体介质及环境的传

导换热、对流换热及辐射换热，同时还考虑温度对流体介质（如液压油、滑油

等）的动力学粘度、定压比热、密度和热膨胀速率的影响，通过反复迭代得到热

流体系统的温度分布，并给出元件的实际换热量、热阻、换热效率及努谢尔数等

参数。

精确预测系统参数

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此外，Flowmaster V7针对系统参数优化提供了Var. Params.控制面板功能，

用户可以设定系统中的某些变量为可变参数，这些参数将集中体现在 Var.

Params.参数面板中，在这个面板中用户可以设定变量的参数值，从而进行多工

况仿真计算并在多工况中寻找最优解。Var. Params.面板还提供了参数之间的耦合

关系，即用函数关系控制各运行变量之间的耦合，以下图为例，【Parameter1】

和【Parameter2】为输入可变参数，而【Parameter3】为【Parameter1】和

【Parameter2】的函数，此时在【Parameter3】的参数表中即可实现相应的函数控制，

其使用的语法规则为 C＃。

Var. Params.控制面板

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1.2 完备的分析模块

Flowmaster是面向工程的完备的流体系统仿真软件包。对于各种复杂的流体

管网系统，工程师可以利用 Flowmaster快速有效的建立精确的系统模型，并进

行完备的分析。Flowmaster具备的分析模块可以对各种不同类型的流体系统进行

任意工况下的稳态、瞬态及传热分析。

完备的稳态及瞬态分析模块这些分析模块及功能分为以下几个主要的部分：

不可压流体稳态及瞬态分析模块：可用于模拟液体流路系统及液压系统，

计算系统在不同工况下的压力分布、流量分配，捕捉可能出现的管路压力波

动现象。

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不可压流体稳态和瞬态传热分析模块：可用于考虑热负载对系统温度特性

的影响，进而评估流体物性参数随温度变化对系统性能的影响。

可压缩气体系统稳态及瞬态分析模块：该模块用于模拟气体流路。特别对于

高马赫数系统内流问题（马赫数>0.3），计算具有很高的精度。

不可压与可压流体系统配平分析模块：用于给定不可压或可压缩多支路系

统设计流量或流速，提供节流元件参数分析能力。

相邻元件修正分析及尺寸分析模块：用于修正由于元件相邻而造成的计算

误差；SZ为部件尺寸分析模块，用于针对特定的阻力损失限制，设计并优

化部件尺寸，帮助进行部件的选型。

频域分析模块：可针对液压系统开展频域特征分析，得到系统的频域特性。

频域分析结果包括频率响应分析、功率谱分析等。

联合仿真接口模块：具备与Matlab、Fluent等众多主流 CAE软件的联合仿真

接口。

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内置功能：具备单位转换、公式计算、动画显示、流体特性自定义与管理、自

动导出仿真报告、优化设计、多用户管理等功能。

完备的流体元件库及相应的特性数据库：包含完备的流体元件库，并且具

备各类管道、弯管、三通等常用元件的流阻特性数据，这些数据来源于国际

权威机构多年的真实物理试验。

1.3 完备的元件库、数据库及用户自定义模型功能

Flowmaster拥有丰富完善的元件库，几乎函盖了目前流体系统需要的所有

的标准元件。

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完善的流体系统元件库

Flowmaster V7 汽车工业版本新增部件工程师可以根据自己的系统物理模型从元件库中选择建立流体系统模型所

需要的标准元件。比如，在泵元件族中，就有齿轮泵、柱塞泵、叶片泵、轴向泵、

径向泵、混合泵、射流泵等；在换向阀元件族中，有两位两通，两位三通等多种

元件。除了完备的常用元件之外，针对特定的专有元件，Flowmaster允许用户采

用 C语言创建系统仿真所需的模型，并采用动态连接库（DLL）形式存贮和调

用自定义模型。

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自定义元件在 Flowmaster中自定义元件是以元件分析模型 CAM为基础开展的，在完

成 CAM的定义后，可以非常便捷的完成自定义元件的生成工作。设置完 CAM所需参数以及接口数量与类型后，转入 VC中编辑代码，将编

译所得的DLL文件拷贝至 Flowmaster安装目录下，即完成 CAM的定制工作。同时，Flowmaster集成了大量常用元件的流阻特性与工作特性数据，这些

数据来源于英国流体力学研究所超过 10000个小时的真实物理实验，极具权威

性。各类管道、弯头、三通的流阻特性以及各类泵的标准工作特性曲线等，均包

含在数据库之中。并且，该数据库易于扩展，能够非常便捷的引入用户的已有数

据。

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常用元件流阻特性、工作特性的完备数据库

1.4 流程化的平台界面

Flowmaster V7的操作界面采用了美观且标准化的 windows平台软件风格，

如图所示，软件的操作界面的布局和主流的 CAE、CAD软件相似，整个操作界

面分为三个主要部分：工具栏（左）、建模区域（中）及分析后处理区域（右），

构成了一个人性化的从左至右的工作流程。设计分析人员首先在左边的工具栏新

建一个“项目”（project）及“系统模型”（network），接着在建模界面中进

行系统模型的搭建和修改，最后在分析后处理区域中进行参数设置，运行分析，

读取结果。整个过程由左至右，条理明晰，即符合工程师的使用习惯，使其易于

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操作，又满足了系统仿真工作的分析需求。

美观易用的软件界面和旧版本相比，V7更为紧凑。在V7中，模型及项目管理、元件库管理、性

能参数库管理、流体库管理及用户权限管理都通过层次分明的目录层级加以组织

并且统一到软件的工具栏中，工程师只需要通过鼠标点击就可以很方便的读取

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各种数据资源，大大提高了工程师的建模效率。在软件的建模区域，工程师可以通过多图层的建模方式把复杂系统拆分为

若干个分属不同图层的子系统，分块进行模型的搭建，同时可以配以相应的背

景图片，这使得复杂的系统模型更为直观、易懂，提高了系统模型的可读性和易

用性。

1.5 强大的报表生成工具（Crystal Report）

内置的元件参数报表生成（Crystal Report）Flowmaster V7提供的报表功能模块能够以文本形式生成系统元件的关键参

数列表，以方便工程师进行关键数据的核对。V7版本内置了水晶报表功能模块

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（Crystal Report），用户可以根据需要选择需要出报表的项目，例如元件参数

（Component Data）、节点信息（Node Data）、通用参数（General Data）等。报

表文件可以按照一般的 rpt格式，也可以按照 EDIF（电子数据交换）格式输出 。

Rpt文件可由办公软件如Word、Excel打开阅读，而 EDIF文件是二进制文件，

可以被其他的应用程序访问，实现数据交互。此外，根据最新的进展，V7 的报表还可以生成 MPCCI 接口数据文件，

MPCCI是当前国际最为通用的 CAE软件接口平台，基于MPCCI标准的接口数

据文件无疑将大大增强用户实现联合仿真的能力。

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2 Flowmaster 仿真平台解决方案

Flowmaster不仅提供了热流体系统仿真的专业技术工具，还提供了完善的

管理控制、知识积累等价值环节，具备各方协同、数据管理、软件集成与流程自

动化、决策支持等功能元素。下图所示为 Flowmaster仿真平台的基本架构，具体

包含以下几个方面的内容： 核电热流体系统中心数据库

Flowmaster以 SQL Server中心数据库为基础，便于进行数据的可控访

问与集中管理、搜索。同时，Flowmaster已经提供了面向核电热流体系统仿

真的专业数据库，并且可引入用户的已有数据，进而针对特定需求进行深

层次定制。 智能建模与专家系统

Flowmaster的智能建模系统已经集成了流体系统仿真专家的大量知识，

同时易于扩展，能够非常方便地引入客户的现存知识经验与设计规范等相

关信息，进而丰富专家系统的知识储备。

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项目成员与角色分工针对系统仿真项目的需求，Flowmaster可定制不同权限的用户，比如

项目管理人员、产品研发人员、分析人员、试验人员等，从而便捷的实现各方

协同工作，提高工作效率。 软件集成与半实物仿真

Flowmaster具备与三维 CFD软件、Matlab、iSIGHT、Office等大量软件的

直接接口，并且具备开放而多样的联合仿真接口开发能力，易于实现软件

集成与半实物仿真。 产品全生命周期的应用与流程自动化

Flowmaster可应用于产品设计的全生命周期，同时，以专家系统的知

识经验、设计规范以及项目成员的角色分工为驱动，可以实现仿真流程的自

动化。 决策支持Flowmaster拥有强大的数据查证与跟踪功能，能够考查产品设计的所有变

更历程及其对系统关键参数的影响，从而提供决策支持。并且，对于经过确认的

设计方案，Flowmaster允许决策人员做出标识并锁定。17

Flowmaster 仿真平台的基本架构

2.1 热流体系统中心数据库的建立

2.1.1 分布式安装与中心数据库的建立

Flowmaster支持分布式安装，以此为基础，所有相关的数据均存贮在中心

服务器的 SQL Server数据库之中，不同权限的客户端可以通过网络在受控的情

况下访问同一个中心数据库，从而避免出现独立、分离的数据带来的各类问题，

并且为数据的有效管理与搜索打下了坚实的基础。

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2.1.2 专业数据库的定制

Flowmaster的数据库包含来源于真实物理试验的大量数据，包含各类流阻

特性数据及工作特性数据。同时，Flowmaster的数据库易于扩展，可以非常便捷

的将用户的已有仿真、试验数据以表格、曲线、曲面等各类方式引入到系统之中。此外，针对特定的工业应用，Flowmaster推出了不同的专业数据库，例如

已将适用于核电热流体系统仿真的元件放置在相应的文件夹下，便于用户调用，

用户也可以根据自身的仿真需求定义专门的文件夹及元件。

专业数据库的定制

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2.1.3 强大的数据管理功能

Flowmaster V7的全部数据采用微软 SQL Server（关系数据库管理器）进行

数据管理与搜索，用户只要安装了 V7就可以使用其内置的 SQL Server。和其它

软件自带的数据库管理器相比，V7所使用的数据库管理工具更为专业和强大，

也更为开放。

Flowmaster 具备便捷的数据管理与搜索功能首先，SQL Server是一款非常专业的数据库管理工具，可以对各种数据进

行管理与搜索，包括 Flowmaster软件中内置的元件模型数据、系统模型数据、系

统参数数据、元件参数数据、用户权限数据、部件性能数据、流体物性数据、各种

脚本、模版数据等等。Flowmaster中的所有数据，都在后台采用标准的 SQL

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Server 的数据格式进行存储和读写，有 SQL Server 数据库引擎（Database

Engine）的支持，数据的安全性和读取效率都能得到保障和增强。其次，SQL Server具有很好的开放性。因此，对于多用户环境，各个用户终

端可以安全共享数据库中的各种数据资源，根据需要对数据库进行扩充和自定

义。此外，数据库的开放性还意味着其它软件工具可以通过访问 SQL Server实

现对 Flowmaster内部数据的读写。这对于数据在各个专业软件之间的交互，以

及深入的二次开发和软件功能的客户定制提供了很大的便利。

2.2 智能建模与专家系统

Flowmaster具备完善的智能建模与专家系统，内置了大量流体系统仿真专

家的知识与经验，能够为工程师提供非常智能的辅助建模手段。同时，用户可以

根据自己的实际情况，将已有的设计经验、知识与规范引入到专家系统之中，为

后续软件使用人员提供指导。有了专家系统作为保障，软件使用经验将存贮于系

统之中，易于实现积累和继承。以部件参数表为例：Flowmaster的每个部件都包含有大量的参数，依据可

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压、不可压、传热等分析类型的不同，部件参数的输入要求也大不相同，这就会

给初级工程师造成很大的困惑。有了 Flowmaster的智能建模辅助工具，这个难

题就迎刃而解了。如下图所示，红色的参数条目为必须输入的参数，黄色的参数

条目则是可选输入的，这样的参数表简单明了，避免了参数输入的错误。对于很

多元件，提供了大量可选参数项，用户可以根据自己掌握的数据，自行设定必

填的参数项，从而指导后续仿真人员，提高仿真精度。此外，Flowmaster具备封装复合元件与子系统的功能，能够将用户常用并

且经过验证的各类复合元件与子系统进行自定义，以便在以后的设计工作中重

复使用，大量复合元件与自定义子系统建立以后，用户的知识也随之集成在

Flowmaster平台之中。

智能化建模示例：部件参数输入

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复合元件与子系统的封装Flowmaster的智能仿真平台还体现在交互仿真功能上，交互式仿真功能可

以在仿真计算时随时改变元件的某个参数，如马达的转速或阀芯的位置等，这

些参数的改变对系统的影响会立刻显示出来。交互仿真对用户非常有帮助，用户

可以实时监视输出结果，改变系统参数，当结果不理想时，可以随时停止仿真。

2.3 项目成员与角色分工

Flowmaster能够根据项目需求定义不同权限的用户，例如项目管理人员、产

品研发人员、分析人员、试验人员等。不同人员操作软件及访问各类数据的权限

均可视情况进行定制。由于各类人员能够访问同一个数据库，因此给协同工作带来极大的便利。首

先，项目的执行与监控分工明晰，不再依赖于人际协调的原始模式；其次，任

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何设计改动，都能够通过数据库直接反馈给相关工程师，从而大幅提高工作效

率；此外，用户权限的划分还能够进一步提高数据的安全性。

项目成员与角色分工

2.4 软件集成与半实物仿真

为了建立有效的数值仿真平台，必须关心不同 CAE软件之间的数据交互与

联合仿真，在软件集成的基础上深入发挥各类软件的效能。Flowmaster具备与

Fluent、Matlab等大量 CAE软件的接口，同时可与任意支持 COM（组件对象模

型）的软件实现数据交互。

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2.4.1 Flowmaster 支持基于 COM 的开发

Flowmaster 支持基于 COM（Component Object Model，组件对象模型）的

开发。COM是微软对网页伺服器与客户端、增益集与Office系列软件之间互动的

软件元件技术。COM自动化（COM Automation）是指应用程序的 COM化（封

装成 COM组件），以让外部程序调用这些 COM组件，实现各种功能。因此

Flowmaster可以与任何第三方软件方便的集成和二次开发。

2.4.2 Flowmaster 与 PLM/PDM/CAD 系统的集成

由于 FLOWMSTER支持 COM化的开发，因此 Flowmaster软件能够非常容易

地与第三方 PLM/PDM/CAD软件集成，这种集成是一种无缝的完美集成。Flowmaster核电版基于关系数据库系统 SQL SERVER，与 PLM/PDM系统

非常类似，因此可以实现 Flowmaster与 PLM/PDM/CAD在数据库级的集成和交

互，例如 Flowmaster可以从 BOM表中获取元件参数和尺寸，PDM系统可以从

Flowmaster的数据库中获取元件、网络模型、仿真结果等数据。基于关系数据库

的系统是保证 Flowmaster与 PLM/PDM便利、充分、完美集成的基础。

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2.4.3 与三维 CFD 软件和 MATLAB 软件的耦合仿真

基于 COM自动化技术，Flowmaster已经开发了和许多其他知名 CAE软件

的接口，如 CFDLink (FLUENT和 Star_CD)、MatlabLink等。

与 FLUENT 的接口 与 Matlab 的接口Flowmaster 与其它 CAE 软件的接口

进一步，只要用户所使用的应用软件支持 COM 技术（一般应用于

Windows操作平台的软件都会支持），就能够通过二次开发实现和 Flowmaster

之间的无缝集成。这种耦合仿真是完全实时、双向的耦合仿真，实现系统仿真和

部件级仿真的完美结合。

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2.4.4 与 AVL Cruise\BOOST 的接口

Flowmaster 与 AVL Cruise\BOOST 的联合仿真AVL李斯特公司是奥地利著名的车辆发动机设备提供商与专业咨询机构，

在发动机设计制造领域享有盛誉。其仿真软件包 BOOST是专业的内燃机气体动

力学分析软件。Flowmaster提供了和 AVL BOOST的接口，能够直接从 BOOST

把发动机的性能数据以 4D文件数据格式传递给 Flowmaster的 BOOST Engine元

件，例如气缸内壁面热流量等。

此外，BOOST的 TNG（Thermal Network Generator）模块可以自动生成

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Flowmaster发动机热阻模型，精确模拟发动机内部热流分布和温度分布。TNG

所提供的建模功能能够根据用户的需要生成不同复杂度的热阻模型。结合

BOOST TNG和 Flowmaster，工程师可以构复杂的发动机热管理系统模型，考

察不同流体系统之间的热耦合。

联合仿真模型

联合仿真结果

2.4.5 与 AVL EXCITE 的接口

在内燃机中，轴承是主要的耗油部件。对轴承流量的精确计算对与获得可信

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的结果是非常重要的。这就需要考虑轴承载荷的周期变化，偏心率，及自身的弹

性变形造成的影响。AVL EXCITE提供了对轴承元件的仿真分析功能，能够生成

Flowmaster所需要的 Bearing Map，考虑轴承间隙、滑油粘度、发动机转速及入口

与出口油压的影响。这些数据可以直接通过 Flowmaster的AVL EXCITE Bearing

元件读入，从而实现两者的耦合。

Flowmaster 与 AVL EXCITE 的联合仿真模型

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联合仿真结果

2.4.6 通过 MpCCI 实现多物理场耦合

MpCCI是专业的多物理场耦合软件，可以和所有的主流 CFD软件和主流的

有限元软件动态、双向耦合，实现系统级仿真和多物理场仿真的耦合。MpCCI 的 直 接 接 口 包 括

Flowmaster、Fluent、Ansys、Abaqus、MSC.Marc、StarCD、Flux、IcePak、PERMAS、

PosRad、RadTherm。

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MpCCI还包含一个开放的应用程序接口，通过它可以和具有开放应用程序

接口的任何 CAE软件连接。这样 Flowmaster就可以和任何 CAE软件实现耦合仿

真。

Flowmaster 通过 MpCCI 实现多物理场耦合

2.4.7 与 OFFICE 软件的接口

Office系列软件中都支持宏，例如 Excel、Word及Access。Flowmaster的许

多功能也封装成了 COM组件，这些组件可以通过运用于Windows平台的其他

软件如微软的Office系列软件进行调用，实现数据的交互和分析的自动化。

31

利用 Flowmaster 和 EXCEL 实现的热流体系统仿真平台

2.4.8 半实物仿真

Flowmaster具备丰富的控制器元件，支持基于 COM（Component Object

Model，组件对象模型）的开发，能够非常便捷的与外部数据及外部接口进行

实时交互，实现控制器与仿真计算机之间的时间同步，从而开展半实物仿真。除此之外，Flowmaster与Matlab软件有直接的联合仿真接口，而Matlab具

备强大的控制系统仿真功能，因此 Flowmaster也可与Matlab联合实现半实物仿

真。由于半实物仿真的结果比数学仿真更接近实际，Flowmaster用于半实物仿

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真将能够更好的应用于产品的修改定型、产品改型和出厂检验等方面。下图所示为美国海军地面战斗中心（NSWC）利用 Flowmaster对某型“智

能阀”开展半实物仿真的基本架构，以 Flowmaster的管网模型结合控制系统的

物理模型，成功分析了“智能阀”的工作特性。

美国海军地面战斗中心（NSWC）利用 Flowmaster 对某型“智能阀”

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开展半实物仿真的基本架构

2.5 产品全生命周期的应用与流程自动化

Flowmaster可以应用于产品研发的全生命周期。首先，Flowmaster不依赖于

详细的 CAD模型，只需要基本的几何参数，因此在概念设计阶段即可用于系统

的初步评估；在详细设计与仿真阶段，Flowmaster 可以独立应用或者与

Fluent、Matlab等 CAE软件开展联合仿真，从而深度分析热流体系统的性能；在

优化设计阶段，Flowmaser可通过变参数分析，获取最优的设计方案，并且能

够与 iSIGHT等优化软件进行联合仿真；在出厂检验阶段，Flowmaster可与物理

试验平台结合，开展半实物仿真，确保产品的性能；在产品的维护阶段，

Flowmaster可以通过对故障的想定分析，结合故障现场观测到的现象，对比确

定故障源。

同时，以专家系统的设计规范、软件使用经验以及项目成员的角色分工为基

础，Flowmaster能够实现设计仿真流程的自动化，在保障仿真可信度的同时，

大为提高工作效率。

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Flowmaster 在产品全生命周期的应用与流程自动化

2.6 决策支持

Flowmaster拥有强大的数据查证与跟踪功能，能够实时考查产品设计的所

有变更历程及其对系统关键参数的影响，从而提供决策支持。并且，对于经过确

认的设计方案，Flowmaster允许决策人员做出标识并锁定。

35

a）数据查证与跟踪 b）合理方案的标识与锁定Flowmaster 决策支持

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3 Flowmaster 在汽车热管理系统的应用

汽车工业中的仿真已经进入了一个新的时代，现在的汽车设计中，工程师

必须要考虑汽车中各流体系统之间的热影响，换言之，就是汽车热管理，对于

汽车热管理系统仿真来说，必须要将冷却系统、空调系统、空气侧系统等流体系

统结合在一起进行仿真。作为全球领先的一维热流体系统仿真软件，

3.1 汽车热管理简介

车辆热管理系统耦合示意图传热对发动机的功率、经济性、排放和寿命等具有非常重要的影响。发动机

涡轮增压、废气再循环（EGR）技术的应用，对发动机冷却提出了越来越高的要

求，增压中冷、冷却 EGR成为发动机进一步提高性能和降低排放的重要措施。进

一步优化燃烧和冷却 EGR为满足欧 4排放法规的主要技术，要求冷却系统的冷

却液散热器效率提高 15～20％，散热增压空气冷却器(CAC)散热效率提高 40％

～60％。热管理技术是从系统整体和集成的角度，统筹发动机与整车的关系，通过

研究汽车的能量转换、流动与传热等过程，以及各子系统之间的内在联系，并使

冷却系统与发动机匹配最优化。先进的发动机热管理技术，已成为发动机节能和

降低排放的重要技术措施。热管理概念的提出，不仅是技术的进步，更是管理、设计思想上的突破。应

用先进的热管理理念进行发动机冷却系统集成匹配，必须同时考虑发动机结构、

进排气系统、冷却系统、润滑系统，以及空调系统和发动机舱内外的相互影响，

因此成为一项巨大的系统工程，而仿真成为一种非常有效并具有潜力的手段，

是热管理技术的基本方法。

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发动机热管理相关系统示意图Flowmaster的车辆热管理系统能够将多个车辆流体系统耦合在一起进行全

局仿真，考虑多种气体、液体和两相介质的循环回路的相互作用，包括：发动机冷却循环

空调系统循环

发动机润滑系统

发动机舱空气循环

排气系统循环而每一部分都可以分别在前述的分析模块中独立建模，进行单独的仿真分

析。同时，也可以将其中的某些部分进行耦合分析，考察系统之间的相互影响 。

Flowmaster快速的求解能力和全面的流体系统元件库使工程师能够轻松的分析

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任意复杂度的热管理系统。事先考虑热系统各部件间的相互热耦合影响，将带来

极大的益处，按这种方法进行热系统设计，在制造模型以及模型改进时，将节

约大量的成本。

F

Coolant pump

P

P

F

DLF

Cabin air nozzles

Ducting

Recirculation

TXV

Heater core

Bypass

Evaporator

Cabin air inlet

Sump

Crankshaft

Bearings

Double Overhead

Camshafts

Oil Pump

Compressor

Engine

Coolant pumpCoolant pump

Thermostat

Fan

Top Hose

Radiator

Condenser

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153154155156

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163164165166167

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217229 230 231 232233 234 235

236237238239

240 241 242 243244 245 246

247248249250

Flowmaster 车辆热管理系统模型

40

冷却系统和润滑系统的联合

冷却系统与空调系统、中冷器联合

41

3.2 典型部件模型

3.2.1 管道

Flowmaster可以对热管理系统中的各种连接管道进行精确模拟，包括各种

流动损失模型，各种传热模型，对各种材料管道、传热与绝热等情况进行模拟。

10

Pipes - Conduction (1)

q

ro

rri

dr L

One-dimensional heat flow through a pipe wall

如果管内流体与外界存在温差，将发生换热，其中热传导可用 Fourier放出

求得，如下：

Q rLkTr

2dd

式中 Q heat flow rate W

T temperature Kk thermal conductivity W/m Kr radial distance mL pipe length m.

42

上述传热方程与边界条件结合：T = Ti at r = riT = To at r = ro

进而可得有管路热传导交换的热量：

QkL T T

r ri o

o i

2 ( )ln( )

通用的传热公式为:

Heat flow rate = 1

thermal resistance.temperature difference

圆形管道的热阻可由下士求得：

当模拟具有绝热层的管道时，管道热阻包括：

RL

r rk

r rkpipe insulation

12

2 1 3 2

ln( / ) ln( / )

汽车热管理中必须要考虑对流换热的影响.汽车形式过程中产生的迎风面使

发动机对流换热不可忽略。对流换热可由Newton公式计算:

式中 Q heat flow rate W

h heat transfer coefficient W/m2 KA common boundary area m2

Tw surface temperature KT fluid temperature K.

43

对流换热热阻为：

不同情况下的对流换热系数通常都采用经验公式.在 FLOWMASTER分析中

采用Dittus-Boelter公式计算对流换热系数，如下:

式中 Nu Nusselt Number

Re Reynolds NumberPr Prantle Number

其中 a, b 和 c 都是由经验公式确定的常数. 对于通常加热情况 a = 0.023, b =

0.8以及 c = 0.4;冷却情况 a = 0.023, b = 0.8 以及 c = 0.3. 

Flowmaster同样可以考虑辐射换热。辐射换热过程本身非常复杂, 可由下式计算：

式中 s Stefan-Boltzmann constant (5.67 ´ 10-8 W/m2 K4)

e surface emissivity

往往对流换热与辐射换热同时发生，因此可以同时考虑上述两种换热形式的影响：

管道表明散失的热量为上述两者之和：

综上所述，管道总换热为：

44

并可简化为： 定义U 为总换热系数

3.2.2 换热器

换热器为热管理中的主要部件，由能量平衡得到换热公式为：

式中 Q heat input W

cp specific heat kJ / kg KT1 inlet temperature KT2 outlet temperature K

m mass flow rate kg/s

18

Heat Exchangers• Mapped Thermal

Effectiveness• Effectiveness as

function of through and cross stream flow rates

在 Flowmaster中，可以采用多种方式对换热器进行建模。例如：1. 指定换热器热负荷 (Q)

2. 指定热流体的温降 (T1 = T1, in - T1, out)

3. 指定冷流体的温升 (T2 = T2, in - T2, out)

45

4. 指定散热器的效率 (E)

5. 设定散热器效率随流体体积流量变化的Map图

6. 设定散热器效率随流体质量流量变化的Map图由能量平衡可得散热器热量传递公式：

换热器的效率定义为：

由理论推导可知：

散热器效率通常与 R和NTU数相关：R = (mcp)smaller/(mcp)largerNTU = UA/(mcp)smaller.

3.2.3 节温器模型

节温器的作用是控制冷却水流经大小循环，Flowmaster可以对不同结构、不

同形式的节温器进行建模，包括传统的蜡式节温器以及电子节温器等。

46

37

Details: Thermostat Hysteresis• Real Configuration

• Wax type Thermostat• Opening depends on

temperature of wax

• FLOWMASTER2• Modeled as two valves

to form a three way valve

• Wax characteristics modeled as the Thermostat Hysteresis COM Controller.

上图就是 Flowmaster的节温器模型，对节温器的控制可以根据实际部件的

特性曲线，也可以通过编写VBscript语言来描述节温器特性。

3.2.4 膨胀水箱

Flowmaster提供了膨胀水箱模型，用户只要按实际系统水箱参数进行输入

就可以简单、准确的完成建模。

47

进口体积流量 Q1与出口体积流量 Q2的差值便引起水箱内液面升高。在

Flowmaster模拟中，需要设置以下这些参数对膨胀水箱进行建模：1. 进出口管道管径2. 进出口流动损失系数3. 进出口距离水箱底面的高度4. 水箱顶盖相对于底面的高度5. 底面相对于参考面的高度6. 水箱水平横截面面积（可以设置为随高度变化的值）7. 初始液面高度

48

8. 表面压力，等

3.2.5 冷却风扇

Flowmaster提供了冷却风扇模型。根据流体力学理论，系统工作点为风扇压升与该流量下系统流动阻力的交

点，如下图：

风扇采用无量纲系数进行建模，可以对同一类型的各种风扇采用通用模型:

Flow Coefficient:

Pressure Coefficient:

式中， Afan = Swept area of fan, excluding the hub

Atip = Fan tip velocity =

D = Fan diameter

49

4 Flowmaster 在汽车空气侧系统的应用

4.1 AVS 模块

Flowmaster 提供了专门的空气侧部分的分析功能，即 3-D Visualizer &

Segmentor（AVS），AVS模块是用来模拟空气侧的冷却包系统的，具体来说，

就是流体在流经不同元件时流量并不相等的情况下，用一维的方法无法实现，

需要借助AVS模块将该问题三维化，并最终实现对这种结构的模拟。

如上图所示，左图表示的是一个包含有两个或者更多个换热器叠加组成的

冷却包。流经冷凝器 Condenser和油冷器 Oil cooler的气体流量与流经主换热器

Radiator的气体流量并不相等，也就是说进入 Radiator的气体中有一部分参与了

Condensor和Oil cooler的换热。这种情况用一维的分析方法是无法模拟的。而 3-

50

D Visualizer & Segmentor则考虑空气侧系统的元件的几何形状（面积、厚度）和

相对位置（重叠部分与非重叠部分、相对距离），并将这些元件进行合理分割，

对不同分割的气体流量、温度变化进行计算从而得到元件本身的温度分布、流量

分配。

空气侧系统Flowmaster提供完整的空气侧元件模型，依靠这些元件模型，工程师可以

搭建任意复杂的空气侧系统仿真模型。如空冷器、油冷器、散热器、风扇、栅、散热

51

器百叶窗、风滤、环境压力等。工程师可以通过三维显示界面Visualizer对系统进

行建模和结果显示。Visualizer提供良好的可视化彩色界面，用户可以选择各种

不同的视角，选择不同的显示方式，如半透明显示重叠及非重叠的区域，边界

线显示元件所占空间，引线框显示分割区域等。

空气侧系统

4.2 空气侧系统应用案例介绍

如下图所示，该系统模拟的是一个包含有空气侧的冷却系统，而空气侧又

由中冷器、冷却系统换热器、滑油系统冷却器等元件组成。冷却系统本身的模拟

是非常容易实现的。其中包含的换热器 Radiator，管道 Pipe，损失元件

52

Loss:discrete等元件在之前均有介绍，这里就不再赘述。

冷却系统（AVS） 而对于空气侧，本算例中采用的初始设计示意如下,

空气侧分布平面示意图 然后将冷却系统换热器的出口与冷却风扇、损失元件、压力边界条件等元件相

53

连接，那么空气侧系统的一维模型就搭建好了。搭建好的空气侧系统如下图所示

接下来需要做的，就是输入 Visualizer以及 Segmenter数据。系统中所有的

元件均可实现可视化。

经可视化设置的元件都包含一个名为“Visualizer and Segmenter Data”

的参数输入列表，如下图所示，

54

而列表中的 height，width，thickness都是基于下图中所示的坐标系而定

义的。

当所有的元件的相关参数都输入之后，就可以实现 Visualizer以及 Segmenter的

功能了。55

Visualizer Front View Automatic Segmentation

在上图中，空气侧被切割成五段，每一段的压力、流量等系统参数都可以求解

得到。最终得到如下图所示的计算结果。

空气侧温度及热流密度分布

56

5 Flowmaster 在国内外汽车领域典型客户的应用介绍

空调国际利用 Flowmaster空调模块仿真汽车空调系统，建立车辆空调系

统仿真平台，利用 Flowmaster强大的 ecm元件功能开发用户自定义元件，进行

新型空调系统仿真。菲亚特汽车公司的 Elasis研究中心利用 Flowmaster与Matlab/Simulink联合

仿真 ICS（Intermediate Cooling System）冷却系统。用 Flowmaster模拟管路系统，

用 Simulink控制算法，最终来选择合适的阀门、泵及风扇。奥 地 利 AVL 李 斯 特 内 燃 机 及 测 试 设 备 公 司 集 成

Flowmaster、CRUISE、BOOST，联合计算汽车热管理系统。德国宝马（BMW）汽车公司使用 Flowmaster对燃油供给系统、柴油喷射系

统、曲轴箱通风系统及汽缸水套冷却系统进行了设计与仿真，其中水套冷却系统

进行了 Flowmaster & Fluent联合计算。美国阿贡国家实验室能源技术部使用 Flowmaster对越野轮式起重机热管理

系统进行了分析。（Flowmaster独特的多个流体系统耦合模拟分析，可以帮助工

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程师对热管理系统进行优化，保证无论是暖起、怠速还是满载都能满足设计要

求。）日本三菱汽车公司（Mitsubishi Motor Corporation）使用 Flowmaster分析

其三菱汽车的排气系统。（Flowmaster既可以分析不可压系统，又可以分析可压

缩系统。）德国大众（Volkswagen）公司利用 Flowmaster模拟曲轴与凸轮轴润滑系统。

（Flowmaster可以帮助工程师预先了解润滑系统的表现，在临界设计情况下，

可以确保足够的润滑油流量和压力，调节运行温度及油量均匀分配。）日本丰田（TOYOTA）汽车公司利用 Flowmaster对发动机冷却系统进行设

计。Delphi 公司利用 Flowmaster 研究空调系统仿真，进行系统匹配。

（Flowmaster中包含很多像自动调温器（Thermostat）这样的专用元器件，对于

一些复杂结构的特殊元件，也可以通过几个一般元件的简单搭接来实现，或应

用 ECM接口让用户自己进行二次开发。）Denso 公司将 Flowmaster作为系统整合平台，将汽车内多个子系统整合在

一起进行分析，并与整车厂商配套。

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