Experimentally Validated Comparison of Two CFD Simulation Workflows for Oil Jet Cooling and LPTN Improvement

تعتمد المركبات الكهربائية الحديثة على محركات قوية يجب أن تكون مدمجة للغاية وفعالة للغاية لتدوير العجلات. ومع ذلك، بينما تضع هذه الآلات المزيد من القوة في مساحات أصغر، فإنها تولد حرارة شديدة. وإذا لم يتم إزالة هذه الحرارة بسرعة، فقد يتعطل المحرك أو يفقد أداءه. بالنسبة للأجيال الأولى من السيارات الكهربائية، استخدم المهندسون سترات مائية تبرد الجزء الخارجي من المحرك، لكن هذه الطريقة تشبه محاولة تبريد كوب قهوت ساخن عبر النفخ على حافته؛ فالحرارة من المركز تستغرق وقتاً طويلاً جداً لتخرج. ولحل هذه المشكلة، يتجه القطاع نحو التبريد المباشر، حيث يتم رش الزيت مباشرة على المكونات الداخلية، وتحديداً على الأسلاك النحاسية عند نهايات المحرك. يعمل هذا الزيت كسائل غير موصل للكهرباء ينقل الحرارة بعيداً بسرعة، مما يسمح للمحرك بالعمل بحرارة وسرعة أكبر دون أن يتعطل. ويتمثل التحدي الذي يواجه المهندسين في التنبؤ بدقة بمدى كفاءة هذا الزيت في تبريد الأشكال المعقدة والمتشابكة للأسلاك، وهي مهمة تتطلب عمليات محاكاة حاسوبية متطورة لتجنب بناء نماذج أولية مكلفة لا تعمل.

قام فريق من الباحثين من جامعة نافارا وشركة دوش (Dauch Corporation) بتحديد طريقتين مختلفتين لمحاكاة عملية تبريد الزيت هذه. أرادوا معرفة أي طريقة حاسوبية يمكنها التنبؤ بدرجة حرارة المحرك بدقة أكبر مع استخدام أقل قدر من قدرة الحوسبة. ولإيجاد الإجابة، قاموا أولاً ببناء نموذج اختبار فيزيائي. لقد أخذوا "عضو ثابت" (stator) حقيقياً لمحرك، وهو الجزء الثابت من المحرك الذي يحتوي على الملفات النحاسية، ووضعوه داخل حاوية بلاستيكية شفافة. سمحت لهم هذه الحاوية بمراقبة تدفق الزيت مع إبقائه محصوراً. قاموا بتمرير تيار كهربائي عبر الأسلاك لتوليد الحرارة، تماماً كما يفعل المحرك الحقيقي، واستخدموا مستشعرات دقيقة لقياس درجة الحرارة في نقاط مختلفة. اختبروا النظام مع تدفق الزيت بسرعتين مختلفتين ودرجتي حرارة ابتدائيتين مختلفتين، مما خلق مجموعة موثوقة من البيانات الواقعية لمقارنتها بنماذجهم الحاسوبية.

بعد ذلك، قام الباحثون بتشغيل نوعين متميزين من عمليات المحاكاة الحاسوبية لمعرفة مدى مطابقتها للتجربة الفيزيائية. الطريقة الأولى، المعروفة باسم "طريقة الحجم المحدود" (Finite Volume Method)، تقسم المساحة المحيطة بالمحرك إلى ملايين الصناديق الصغيرة والثابتة. وهي تتبع كيفية حركة الزيت والهواء عبر هذه الصنده، وتحسب كيف يقطر السائل وينتشر فوق الأسلاك. هذا النهج مفصل ومتعدد الاستخدامات، وقادر على إظهار كيفية تفاعل الزيت مع المعدن الصلب بدقة، ولكنه بطيء للغاية. أما الطريقة الثانية، المسماة "محاكاة الجسيمات المتحركة" (Moving Particle Simulation)، فلا تستخدم صناديق ثابتة. بدلاً من ذلك، تعامل الزيت كمجموعة من الجسيمات الفردية التي تتحرك عبر الفضاء. هذا النهج أسرع بكثير لأنه لا يحتاج إلى حساب الهواء الفارغ حول المحرك بنفس الطريقة، ولكنه يتطلب خطوة منفصلة لتحديد كيفية انتقال الحرارة داخل الأسلاك المعدنية الصلبة.

وعندما قارن الفريق نتائج كلتا المحاكاتتين بالقياسات الفيزيائية، وجدوا أن كلا الطريقتين كانتا دقيقتين بشكل ملحوظ في التنبؤ بمتوسط درجة حرارة الأسلاك المبردة بالزيت. طابقت الطريقة المفصلة القائمة على الصناديق درجات الحرارة في العالم الحقيقي بشكل مثالي تقريباً، بينما كانت الطريقة القائمة على الجسيمات قريبة جداً أيضاً، رغم أنها واجهت صعوبة أحياناً في التنبؤ بأكثر النقاط سخونة عندما يكون تدفق الزيت بطيئاً. أثبتت طريقة الجسيمات أنها أسرع بشكل كبير، حيث استغرقت بضع ساعات فقط للتشغيل على بطاقة رسومات قوية، بينما استغرقت الطريقة القائمة على الصناديق أياماً للتشغيل على خادم كبير. هذا الفرق في السرعة أمر بالغ الأهمية للمهندسين الذين يحتاجون إلى اختبار العديد من التصاميم المختلفة بسرعة. كما اكتشف الباحثون أن طريقة الجسيمات كانت في الواقع أفضل في التنبؤ بدرجة الحرارة على جانب المحرك الذي لا يتم رشه بالزيت، ويرجع ذلك على الأرج Det من أن الطريقة الأخرى بسطت الهيكل المعدني أكثر من اللازم ليكون دقيقاً تماماً.

كان الاكتشاف الأكثر أهمية في الدراسة هو ما حدث عندما أخذ الباحثون بيانات الحرارة التفصيلية من هذه المحاكاة وغذوها في نموذج أبسط وأسرع يُستخدم في أعمال التصميم اليومية. هذا النموذج الأبسط، المعروف باسم "الشبكة الحرارية" (thermal network)، يعتمد عادةً على تخمينات تقريبية حول مدى كفاءة تبريد الزيت للمحرك. وعندما استبدل الفريق تلك التخمينات بالبيانات الدقيقة من محاكاتهم المتقدمة، أصبح النموذج البسيط دقيقاً للغاية. لقد تحول من أداة قد تخطئ بعشرات الدرجات إلى متنبئ موثوق يطابق الاختبارات الواقعية. وهذا يعني أنه يمكن للمهندسين الآن استخدام نماذج بسيطة وسريعة لتصميم أنظمة التبريد بثقة المحاكاة المعقدة والبطيئة، بشرما تمت معايرة هذه النماذج أولاً ببيانات عالية الجودة. وتخلص الدراسة إلى أنه بينما توفر الطريقة التفصيلية الأبطئة مرونة كبيرة، فإن طريقة الجسيمات الأسرعة تعد خياراً ممتازاً لمحاكاة تبريد نفث الزيت، مما يوفر طريقة جديدة قوية لتصميم الجيل القادم من المحركات الكهربائية.