這個當前的客戶參考故事旨在展示一種首創的模擬工作流程，使用PowerFLOW-PowerTHERM耦合模擬來評估由Lear公司提供的車輛座椅的熱行為。
以下的文章是與Dr. Thorsten Hans共同撰寫的，他是Lear公司的Comfort & Trim Simulation組的組長。Dr. Hans於2012年在慕尼黑工業大學完成了他的機械工程學士學位。然後，他在慕尼黑工業大學的碳纖維複合材料部門擔任研究助理，並於2015年完成了他的博士學位。隨後，他在複合材料行業擔任了FEA工程顧問，直到2019年，他加入了Lear公司工程有限公司。
Dr. Thorsten Hans，Lear公司的Comfort & Trim Simulation組組長： 「我們非常感謝與SIMULIA團隊的合作。他們在模擬領域做得非常出色，擁有專業且受過良好教育的員工。數據被小心翼翼地處理，我們提供的指導也被以謹慎和專業的方式使用。」
交通與移動性（Transportation and Mobility, T&M）的主要業務驅動力之一是創造新的客戶體驗。客戶不再只是滿足於從A點到B點的旅行。他們希望在他們的車輛中體驗到獨特的感覺。其中一個主要組成部分就是乘客的熱舒適度。這種舒適感可以通過例如在炎熱或寒冷的日子裡使用空調或加熱來調節。滿足乘客熱舒適度的最直接方法是通過乘客身體與車輛座椅之間的界面吹送這種冷或熱的空氣，從而創造一個熱調節的車輛座椅。在過去，溫度控制車輛座椅的設計，包括座椅結構、泡沫層和風扇，完全在真實世界的熱測試台上進行。然而，這種方法有其限制：人們無法獲取測試域中的全溫度或速度場。當前的客戶參考故事旨在展示一種首創的模擬工作流程，使用PowerFLOW–PowerTHERM耦合模擬來評估由Lear公司提供的車輛座椅的熱行為。Lear公司是一家全球汽車供應商，僅在2022年就實現了209億美元的銷售。它是該行業中最垂直整合的座椅供應商。
氣候座椅本身由風扇組成，用於通過坐墊或靠背泡綿而產生氣流（見圖1）。有不同的冷卻系統可供選擇：例如，通過座椅壓縮/吸取環境空氣或主動冷卻的空氣。此外，為了確保氣流通過座椅的分佈，組裝了幾層材料（見圖1）。這是因為，根據身體區域的不同，感覺到的氣流程度作為“舒適”的感覺是不同的（例如，腎臟對比臀部）。
在虛擬數位領域中複製的真實世界數據包括以下內容。座椅位於一個設定為25°C的氣候艙內，而艙外的空氣設定為20°C的環境值（見圖2）。在現實世界中，座椅由紅外燈加熱至65°C的表面溫度；在模擬領域中，這只是作為座椅表面皮革層的邊界條件施加的。隨後，關閉燈，打開氣候艙的門，並打開座椅的空調。這表示模擬開始的時候：風扇被打開，吹出冷氣通過座椅層。
現在更多的是實際的模擬工作流程和組件的建模，如風扇和座椅層。PowerFLOW-PowerTHERM耦合的工作方式如下。PowerFLOW是流體求解器，可以模擬周圍空氣的對流效應。然後，將熱傳導係數和與牆壁鄰近的流體溫度輸入到PowerTHERM求解器中。它計算出指定時間間隔內，對於問題中的固體組件的輻射和傳導熱傳遞機制。隨後，將固體表面溫度反饋到對流的PowerFLOW求解器中。這個過程在預定的耦合間隔內重複流程，如圖3表示。
接下來，座椅泡綿中的放射狀風扇並未明確被模擬出來，以節省模擬成本（見圖4a）。具體來說，它們是使用質量流邊界條件進行建模的。為了獲得正確的氣流溫度，執行了從質量流出口（相對於模擬領域）溫度到質量流入口溫度的映射（見圖4b）。風扇在座椅中的位置的圖片可以在圖4c中看到。現在適合考慮哪些座椅結構和泡綿的組件應該被視為固體進行傳導和流體進行對流。塑膠支撐、鋼支撐和皮革頭枕都被建模為固體殼（圖5a）。同樣地，固體泡綿和類固體的墊層泡綿也被建模為固體，即在這裡也模擬了傳導而不是對流（圖5b）。與此同時，蜂窩間隔的多孔性質使其被視為絕熱多孔介質，這意味著這一層被建模為具有對流的流體（圖5c）。最後，皮革層也被視為緊湊/密實的狀態，這意味著它被建模為一個用於傳導的固體體積。然而，重要的是請注意，皮革層添加了1毫米半徑的孔洞，讓氣流通過這一座椅層產生對流效應（圖5d）。
討論了數據化冷卻熱座椅場景的設置後，現在看一下溫度結果。這是通過查看3D溫度等高線圖、2D溫度等高線圖，以及1D溫度演變圖來完成的。首先，看一下坐墊（即Kissen）。在圖6中，上排代表實驗數據，而下排顯示模擬結果。在0秒時，實驗數據和模擬數據都顯示出一個坐墊，其溫度大致均勻，為65°C – 這是座椅初始化的溫度。
與此同時，在30秒時，實驗數據顯示坐墊溫度剛好低於50°C。這只在模擬數據中看到，並且只在風扇附近看到，這表明通過皮革層的傳導冷卻在數據化設定中並不像在現實世界中那樣明顯。隨著時間的推移，繼續保持這種趨勢：在打開艙門並打開座椅的空調後的60秒時，實驗數據顯示出一個幾乎均勻的坐墊溫度( 低於45°C )，而在模擬中，這再次只在風扇的位置附近看到。然而，一旦冷卻進行到300秒，實驗和模擬之間出現了更具比較性的圖像：實驗和模擬都顯示出坐墊溫度約為40°C。在圖8a中，可以看到皮革層平均溫度的1D演變，可以清楚地看到，在溫度演變過程中，模擬曲線始終高於實驗曲線，直到長期內兩條曲線收斂。此外，現在分析了靠背（即Lehne）的冷卻。相應的3D溫度等高線圖顯示在圖7中，其中上排代表實驗數據，下排代表模擬數據。不幸的是，對於靠背的比較數據並不像對於坐墊那樣理想。模擬中的靠背冷卻速率明顯慢於實驗中的冷卻速率，這表示在模擬中，靠背區域的元件並沒有被冷卻得像預計的那麼多。這可以在圖9a-c的2D溫度場圖中清楚地看到。在那裡，可以清楚地看到靠背區域的熱如何保持，而坐墊的附近隨著時間的推移而冷卻。在冷卻開始後的300秒時，模擬中的平均靠背溫度仍然在45°C左右，而在實驗中，它在37.5°C左右。可以在圖8b中看到的靠背的1D溫度演變圖顯示，模擬冷卻曲線在平均值上至少高於實驗數據8°C，特別是在冷卻時間達到60秒後。
此外，正如在溫度數據中所見，對座椅冷卻場景進行計算流體動力學的一個巨大優勢是可以獲取完整的流場數據。因此，可以繪製速度流線來評估流場的方向性。這已經完成，結果可以在圖10中看到。顯然，無論是對於坐墊還是靠背，尤其是靠背，冷卻效果不佳的原因可以明確歸因於冷空氣在穿孔皮革層中的分佈不理想。
總體而言，上述展示了一個來自Lear公司的加熱座椅冷卻場景的數據化表示，並與實驗結果進行了比較。對於坐墊的冷卻速率，取得了良好的相關性，因為靠近坐墊的區域隨時間冷卻。不幸的是，對於靠背，相關性較差，因為靠背附近的結構隨時間保持熱，這表明模擬的靠背組件的傳導並不完全準確。冷空氣在穿孔皮革層中的分佈不足也可能是一個解釋。最後，這個模擬為更複雜的模擬場景打開了大門，例如與結構模擬的順序耦合以獲得變形座椅，使用人體舒適模型進行舒適度評估，或座椅的車內模擬。
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原文轉載來自Dr. Faron Hesse – Thermal Behavior of Vehicle Seats: Using Simulation to Enhance Thermal Comfort
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