Thermal underhood analysis of a heavy commercial vehicle using open source CFD package openFOAM

Abstract

Underhood thermal design of heavy commercial vehicles has a large influence on the performance and reliability of the vehicles. Thermal design of underhood compartment is a challenging task with many constraints and design parameters. Designers can benefit from the numerical tools that are capable of predicting the thermal conditions inside the underhood area both accurately and fast. Conducting the design iterations using the numerical tools and conducting the experimental tests only for the final design would cut the vehicle design costs considerably. In this thesis, a numerical model for the underhood thermal analysis of a heavy commercial vehicle was developed using the open-source software OpenFOAM. OpenFOAM, is the most widely known open-source tool especially used for computational fluid dynamics and it is not much behind the commercial solvers in terms of capability. In this study, the capabilities of OpenFOAM has been challenged on the underhood thermal analysis of a heavy commercial vehicle. The mesh generator snappyHexMesh performed fairly well in meshing of the complex geometries with reasonable resolution and quality. The buoyantSimpleFoam solver was used with the heat exchanger, rotating fan and heat shield models. The radiation heat transfer within the underhood area has been modeled using the surface-to-surface radiation model. The turbocharger heat shield temperature predicted with the solver matches reasonably well with the measurements with discrepancies less than 10⁰C. Overall, the computational study took around 38 h running the solver on 56 CPU cores. Except the radiation model, the parallel scalability of the solver and the additional models were found to be close to ideal. The radiation model takes about 1/3 of the overall computational time. The computational cost of the radiation model has been evaluated on different cases with varying number of surface elements involved in the radiation calculations. It has been found that, the computational cost of the radiation model strongly increases with the number of surface elements. In particular, using the radiation model with more than 20,000 surface elements does not seem to be computationally feasible due to the extreme computational cost of the model. This is partially due to the computational cost inherent to the surface-to-surface radiation model and, but it is also due to the lack of parallelization of the surface-to-surface radiation model in OpenFOAM version v1812+.

Ağır ticari araçların kaporta altı termal dizaynının araçların performansı ve dayanıklılığı üzerinde büyük etkisi vardır. Birçok sınırlamaya ve dizayn parametresine sahip olan kaporta altı termal dizaynı gerçekleştirmesi zor bir iştir. Bu bağlamda tasarımcılar kaporta altında hızlı ve doğru bir şekilde termal hesaplamalar yapabilen numerik araçlardan yararlanabilirler. Numerik araçlar kullanılarak yapılan dizayn iterasyonları ve sadece son tasarım için deneysel testlerin yapılması araç tasarım maliyetlerini önemli miktarda düşürebilmektedir. Bu tezde, bir ağır ticari aracın kaporta altı termal analizi için bir numerik model açık kaynak kodlu bir yazılım olan OpenFOAM kullanılarak geliştirilmiştir. OpenFOAM özellikle hesaplamalı akışkanlar mekaniğinde kullanılan ve en genel geçer bilinen açık kaynak kodlu yazılımdır ve kabiliyetleri bakımından diğer ticari yazılımların gerisinde de değildir. Bu çalışmada, OpenFOAM yazılımının kabiliyetleri bir ağır ticari aracın kaporta altı termal analizi yapılarak test edildi. Mesh üreten bir araç olan snappyHexMesh komplex bir geometri olan kaporta altı için yeterli bir çözünürlükte ve kalitede mesh üretmede oldukça başarılı oldu. buoyantSimpleFoam çözücüsü ısı değiştiricileri, dönen fan ve ısı kalkanı modelleriyle birlikte kullanıldı. Kaporta altındaki radyason ısı transferi yüzeyden yüzeye radyasyon modeli kullanılarak modellendi. Çözücü sayesinde hesaplanan turbochargerın önündeki ısı kalkanı sıcaklığı ölçümlerle yeterli derecede eşleşiyordu; tutarsızlık 10 dereceden azdı. 56 işlemci çekirdeğiyle birlikte çalıştırılan çözücüyle koşturulan simulasyon toplamda 38 saat sürdü. Radyasyon modeli haricinde, çözücünün ve ek modellerin paralel ölçeklenebilirliğinin ideale yakın olduğu görülmüştür. Toplam hesaplamalı zamanın üçte birini radyasyon modelinin hesaplanması oluşturmaktadır. Radyasyon modelinin hesaplama maliyeti, radyasyon hesaplamada kullanılan farklı sayıda yüzey elementine sahip caseler üzerinden değerlendirilimiştir. Yüzey elementi sayısı arttıkça radyasyon modelinin hesaplama maliyetinin şiddetli bir biçimde arttığı gözlemlenmiştir. Özellikle, 20,000'den fazla sayıda yüzey elementiyle yapılan radyasyon modellemesinin aşırı derecede büyük bir hesaplama maliyetine yol açmasından ötürü uygulanabilir olmadığı anlaşıldı. Bu kısmen yüzeyden yüzeye radyasyon modeline özgü hesaplama maliyetinden kaynaklanmaktadır. Aynı zamanda OpenFOAM v1812+'taki yüzeyden yüzeye radyasyon modeli hesabının paralelleştirilememesi de buna sebep olmaktadır.