Vi börjar med en titt på detta med lösningsstöd för utveckling av elbilsbatteri-pack. Ett problem i detta kan vara värmespridningseffekter i celler av litiumjonbatterier; ett fenomen med exoterma kedjereaktioner i batteriet. Dessa reaktioner orsakar en kraftig ökning av den interna batteriets temperatur, vilket gör att batteriets inre strukturer destabiliseras och försämras, vilket så småningom leder till att batteriet går sönder.
Med termisk CFD-simulering av batteriuppsättning finns det en hel del vinster att göra i den nya STAR-CCM+-versioonen. Med ett dedikerat arbetsflöde är den komplexa fysiken vid värmefrigöring betydligt snabbare och enklare, vilket i skenet av den allmänna utvecklingen runt elbilslösningar är av stor vikt. Med den snabba tillväxten av elfordon på vägarna har nya säkerhetsregler införts på landsnivå, men även internationellt, med bl a nya FN-säkerhetsregler för användning av litiumjon-batterier.
Sådan lagstiftning tvingar stora aktörer som tillverkar och använder batterier att genomföra många kostsamma och långa tester för att erhålla certifieringar. Detta leder till en ökande efterfrågan på simulering för att minska kostnaderna för testning och göra säkerhetsdesign ekonomiskt effektiv.
Från timmar till minuter
I Simcenter STAR-CCM+ 2302 har utvecklarna lagt till ett dedikerat arbetsflöde för att påskynda inställningstiden för simuleringar av okontrollerad värmeutbredning för batterier från timmar ner till minuter. Tack vare ett fokuserat arbetsflöde kan man nu hantera stora förpackningar med hundratals eller tusentals celler med lätthet, men ändå bibehålla hög modelleringstrohet. Arbetsflödet stöder som sagt också den enkla simuleringen av en ”misslyckad” cells exotermiska värmeavgivning med en empirisk modell och kan nås som en del av Simcenter STAR-CCM+ batteritillägget.
Tack vare sina kraftfulla multifysikfunktioner och det helt nya dedikerade arbetsflödet är nya 2302-versionen av STAR-CCM+ närmast perfekt lämpad för att studera spridningen av skenande termiska händelser i en komplex packgeometri.
Lösningen erbjuder kort sagt en heltäckande hantering för att bättre förstå denna farliga säkerhetshändelse och hjälper till att utforma packnings- och begränsningsåtgärder, vilket minskar behovet av kostsamma tester.
Enkel modellering av rörelse med överskjutande meshar
Men det finns som sagt en hel del mer på plussidan när det gäller förbättringar. Ett sånt exempel är att man med STAR-CCM+ 2302 mer tillförlitligt kan köra fall med små gap och rörelse tack vare den förfinade översättningsregionen som matchar förfiningsnivån för bakgrundsregionen.
Lagra separering, ventiler, doppbeläggning och många andra applikationer som involverar rörliga kroppar, med små gap tillsammans med komplex vätskedynamik. För att simulera sådana komplexa applikationer med CFD har ”overset mesh-teknologin”, tillsammans med Adaptive Mesh Refinement (AMR), blivit en nyckelteknologi.
Det har blivit enklare att köra sådana fall genom en automatisk förfining av den översatta regionen för att matcha förfiningsnivån för bakgrundsregionen.
Modellering som involverar torkning av våta fasta material
Simulering av torkning av elektroduppslamningen i industriell konvektionsugn (en del av batteritillverkningsprocessen) med DEM (Diskreta Element-Metoden) med vätskeavdunstning, är nu möjligt tack vare utvidgningen av förångningsmodeller till DEM-faser.
Många tillämpningar inom den kemiska bearbetnings-, gruv-, stål-, livsmedels- och batteritillverknings-industrin involverar torkning av våta fasta ämnen. CFD-simuleringen av sådana system kräver både en exakt förutsägelse av partikelrörelse och respektive fasförändringsfenomen.
I Simcenter STAR-CCM+ 2022.1 introducerade Siemens därför ”Liquid-Solid-Gas-materialet” för lagrangiska icke-DEM-partiklar, vilket gör det möjligt att tillämpa förångningsmodellering för droppar som innehåller fasta material. Denna funktion används till exempel framgångsrikt för att simulera mjölkdroppar vid spraytorkning.
Med Simcenter STAR-CCM+ 2302 utökas kapaciteten till partiklar med diskreta elementmetoden (DEM), som gör det möjligt att tillämpa förångningsmodeller på DEM-faser. ”Detta gör att man kan modellera nya applikationer som involverar torkning av fasta material där DEM är den partikeldynamik-metod man väljer genom att möjliggöra diskreta elementmetoden (DEM), som gör det möjligt att tillämpa förångningsmodeller på DEM-faser. Detta gör att man kan modellera nya applikationer som involverar torkning av fasta material där DEM är den partikeldynamikmetoden du väljer genom att göra avdunstning av flytande komponenter i DEM-partiklar,” skriver Siemens Karin Frojd i en bloggpost.
Hon tillägger att man tack vare den nya funktionen exakt kan simulera torkprocesser i direkta, konvektionsbaserade torktumlare som trumtorkar, spraytorkar, torkar med fluidiserad bädd eller indirekt ledningsbaserade torktumlare med användning av diskreta elementmetoden för den våta fasta fasen.
Snabbare simulering till mindre kostnad
Simcenter STAR-CCM+ 2302 ger vidare möjligheter att köra större, snabbare CFD-simuleringar för mindre kostnad och energi med hjälp av Advanced Reduced Instruction Set Computer Machines (ARM) CPU-teknik.
Simulering har blivit en kritisk faktor för tids- och resurseffektiv produktutveckling. Och medan CFD-simulering är betydligt mindre resurskrävande än motsvarande fysiska tester, måste företag ta det ett steg längre för att förbli konkurrenskraftiga.
”Med en ständigt ökande volym av simuleringsdriven produktdesign, för att ha en konkurrensfördel, måste man optimera energiförbrukningen och kostnaden förknippade med dessa simuleringar. I slutändan är en hållbar, kostnads- och energieffektiv digital tvilling en utmärkande faktor och konkurrensfördel i virtuell produktutveckling,” noterar Frojd i bloggposten.
Omedelbara prestandafördelar
Simcenter STAR-CCM+ 2302 kommer också med en reducerad minneskostnad på GPUer så att man kan passa in större modeller på en enda GPU, med omedelbara prestandafördelar.
Normalt är storleken på simulering som kan köras på GPU:er begränsad av det tillgängliga minnet (RAM) på ett GPU-kort. Genom att minska minnesförbrukningen för en given simulering kan du därför passa in större maskor på en enda GPU. Detta är särskilt användbart eftersom den mest effektiva GPU-prestandan ses när korten är ”maxade” vilket innebär att så många celler som möjligt får plats på ett enda kort.
För att maximera fördelarna kommer Simcenter STAR-CCM+ 2302 med minskad minneskostnad och förbättrad prestanda genom effektivare användning av AmgX samt uppgraderingar till CUDA, NVIDIA API.
”Utöver de redan befintliga prestandafördelarna med GPUer från tidigare utgåvor resulterar dessa förbättringar i en minnesreduktion på upp till 40 % samt prestandaförbättringar vid körning på upp till 10 %. Som ett exempel kan en enda NVIDIA A100 med 80 GB minne nu rymma cirka 60 miljoner trimmade celler i blandad precision,” summerar Karin Frojd.
