以下帖子是与李尔公司舒适与装饰模拟小组组长 Thorsten Hans 博士合作撰写的。Hans 博士于 2012 年在慕尼黑工业大学获得机械工程工程文凭。随后，他担任慕尼黑工业大学碳复合材料部门的研究助理，并于 2015 年获得博士学位。随后，他担任复合材料行业的 FEA 工程顾问，直到 2019 年，随后他加入了李尔公司工程有限公司。
交通运输和移动性 (T&M) 业务的主要驱动因素之一是创造新颖的客户体验。客户不再只是满足于从 A 点到 B 点的旅行。他们希望在旅途中体验独特的感觉。这其中的一个重要组成部分就是乘客的热舒适度。这种舒适度可以通过在炎热或寒冷的天气分别使用空调或暖气来调节。满足乘客热舒适度的最直接方法是将冷空气或热空气吹过乘客身体和车辆座椅之间的界面，从而打造一个温度调节的车辆座椅。过去，温控车辆座椅（包括座椅结构、泡沫层和风扇）的设计完全是在现实世界的热测试台上进行的。但这种方法有局限性：无法访问测试域中的完整温度或速度场。当前的客户参考案例旨在使用PowerFLOW – PowerTHERM耦合仿真用于评估李尔公司提供的车辆座椅的热行为。李尔公司是一家全球汽车供应商，仅 2022 年的销售额就达到 209 亿美元。它是业内垂直整合程度最高的座椅供应商。
气候座椅本身集成了风扇，可通过坐垫和/或靠背泡沫产生气流（见图 1）。有不同的冷却系统可供选择：例如，通过座椅挤压/吸入环境空气或主动冷却的空气。此外，为了确保气流在座椅中的分布，座椅上组装了多层材料（见图 1）。这是因为，根据身体部位的不同，不同程度的气流会让人感觉“舒适”（例如肾脏与臀部）。
图 1：现实世界中带风扇的热调节座椅
在数字领域中复制的真实世界设置包括以下内容。座椅放置在 25°C 的气候室中，而气候室外部的空气设置为 20°C 的环境值（见图 2）。在现实世界中，座椅通过红外灯加热到 65°C 的表面温度；在模拟域中，这仅仅是作为座椅表面皮革层的边界条件。随后，关闭灯，打开气候室的门，打开座椅的空调。这表示模拟启动/开始的时间：风扇打开，将冷空气吹过座椅层。
图 2：(a) 数字气候室和 (b) 初始温度分布
现在，我们来谈谈实际的模拟工作流程和组件建模，例如风扇和座椅层。PowerFLOW-PowerTHERM 耦合的工作原理如下。流动求解器 PowerFLOW 模拟周围空气的对流效应。然后，将传热系数和壁面附近流体温度输入 PowerTHERM 求解器。它在指定的时间间隔内计算相关固体组件的辐射和传导传热机制。随后，将固体表面温度反馈到对流 PowerFLOW 求解器中。此过程以预定义的耦合间隔重复进行，如图 3 所示。
图 3：PowerFLOW-PowerTHERM 耦合
接下来，为了节省模拟成本，没有明确模拟座椅泡沫中的径向风扇（见图 4a）。具体来说，它们是使用质量流边界条件建模的。为了能够获得正确的气流温度，执行了从质量流出口（相对于模拟域）温度到质量流入口温度的映射（见图 4b）。图 4c 中可以看到座椅中风扇的位置图。现在很容易考虑座椅结构和泡沫的哪些组件应该被视为传导的固体和对流的流体。塑料支架、钢支架和皮革头枕都被建模为固体壳（图 5a）。同样，固体泡沫和类似固体的顶垫泡沫也被建模为固体，即这里也模拟了传导而不是对流（图 5b）。同时，蜂窝状垫片的多孔性质保证了它们作为绝热多孔介质的处理，这意味着该层被模拟为具有对流的流体（图 5c）。最后，皮革层也被认为是紧凑/致密的，这意味着它被模拟为传导的固体体积。然而，值得注意的是，在皮革层上添加了 1mm 半径的穿孔，以便通过该座椅层实现对流效应（图 5d）。这意味着它被建模为传导实体。然而，值得注意的是，皮革层上增加了半径为 1 毫米的穿孔，以便通过该座椅层实现对流效应（图 5d）。这意味着它被建模为传导实体。然而，值得注意的是，皮革层上增加了半径为 1 毫米的穿孔，以便通过该座椅层实现对流效应（图 5d）。
图 4：(a) 未模拟径向风扇，(b) 映射风扇的质量流温度，以及 (c) 放置在座椅泡沫中的风扇
讨论了数字化冷却热座椅场景的设置后，现在来看看温度结果。这可以通过查看 3D 温度轮廓图、2D 温度轮廓图以及 1D 温度演变图来完成。首先，查看坐垫（即 Kissen）。在图 6 中，顶行代表实验数据，而底行显示模拟结果。在 0 秒时，实验数据和模拟数据都显示坐垫的温度大致均匀，为 65°C – 这是座椅初始化时的温度。
图 5：(a) 将塑料支架、钢支架和皮革头枕建模为用于传导的固体外壳；(b) 将固体泡沫和类似固体的顶垫泡沫建模为用于传导的固体；(c) 将多孔蜂窝垫片建模为用于对流的绝热多孔介质；(d) 将带穿孔的皮革层建模为用于传导和通过穿孔进行的对流耦合的固体
图 6：实验（上行）和模拟（下行）中垫子（即 Kissen）的温度变化的 3D 轮廓图
图 7：实验（上行）和模拟（下行）中靠背（即 Lehne）温度变化的 3D 轮廓图
图 8：实验和模拟中（a）坐垫（即 Kissen）和（b）靠背（即 Lehne）的一维温度变化图
同时，在 30 秒时，实验数据显示坐垫温度略低于 50°C。这仅在风扇附近的模拟数据中可见，表明通过皮革层的传导冷却在数字化设置中并不像在现实世界中那样突出。随着时间的推移，这种趋势仍在继续：在打开舱门并打开座椅空调 60 秒后，实验数据显示坐垫温度几乎均匀低于 45°C，而在模拟中，这再次仅在风扇附近可见。然而，一旦冷却进行到 300 秒，实验和模拟之间就会出现更具可比性的画面：实验和模拟都显示坐垫温度约为 40°C。
在图 8a 中，我们可以看到皮革层平均温度的 1D 演变，并且可以清楚地看到，在温度演变过程中，模拟曲线始终高于实验曲线，直到长期来看两条曲线收敛。此外，现在分析靠背（即 Lehne）的冷却。相应的 3D 温度轮廓图如图 7 所示，其中顶行再次代表实验数据，底行代表模拟数据。不幸的是，靠背的对比效果不如坐垫。模拟中靠背的冷却速度明显慢于实验，这表明靠背区域的元素在模拟中没有得到应有的冷却。这可以在图 9a-c 的 2D 温度场图中清楚地看到。在那里，我们可以清楚地看到靠背区域如何保持温暖/炎热，而靠垫附近则随着时间的推移而冷却。冷却开始后 300 秒，模拟中的平均靠背温度仍然约为 45°C，而在实验中则约为 37.5°C。图 8b 中可以看到靠背的 1D 温度变化图，显示模拟冷却曲线平均比实验数据高出至少 8°C，特别是在冷却时间达到 60 秒之后。从图 8b 中可以看出，模拟冷却曲线平均比实验数据高出至少 8°C，特别是在冷却时间达到 60 秒之后。从图 8b 中可以看出，模拟冷却曲线平均比实验数据高出至少 8°C，特别是在冷却时间达到 60 秒之后。
图 9：时间 t 的二维温度场，(a) t~100s，(b) t~200s，(c) t~300s
此外，正如温度数据所示，对座椅冷却场景进行计算流体动力学分析的一大优势是可以获得完整的流场数据。因此，可以绘制速度流线图来评估流场的方向性。我们已完成这项工作，结果如图 10 所示。显然，坐垫和靠背的冷却相关性较差，尤其是靠背，这显然可以归因于较冷的空气在整个穿孔皮革层中的分布不理想。
图 10：速度流线显示流经阀座层的流动方向
总体而言，本文展示了李尔公司热座椅冷却场景的数字化表示，并与实验结果进行了比较。由于坐垫附近的区域会随着时间的推移而冷却，因此坐垫的冷却速度具有良好的相关性。不幸的是，靠背的相关性较差，因为靠背附近的结构会随着时间的推移而保持高温，这表明靠背组件的模型传导并不完全准确。通过穿孔的皮革层，冷空气分布不足也可能是一个原因。最后，这种模拟为更复杂的模拟场景打开了大门，例如顺序耦合到结构模拟以获得变形座椅，使用人体舒适度模型评估舒适度，和/或座椅的现场车辆模拟。
