基于Fluent 的電動客車空調(diào)風道流場模擬

苗長玉，紀緒北

( 比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳518118)

0 引言

隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，客車的研發(fā)已由低端的實用型向高端的高科技型轉變，客戶對整車的舒適性、節(jié)能性、安全性提出更高的要求。開發(fā)一款新車，不僅要滿足市場定位需求，還要縮短開發(fā)周期，保證設計質(zhì)量，降低研發(fā)成本。傳統(tǒng)的設計，主要運用經(jīng)驗公式、經(jīng)驗數(shù)據(jù)、實際試驗，周期長，成本高，且很難達到最優(yōu)設計。而采用有限元CFD 方法，在設計階段，對不同設計方案進行模擬對比，得到詳細全面的數(shù)據(jù)，優(yōu)化設計方案，縮短設計周期，降低研發(fā)成本［1］。

電動客車制冷空調(diào)系統(tǒng)在整車開發(fā)過程中起著重要作用，不僅要滿足駕乘人員舒適度的基本要求，而且還因其整體結構在整車布局中與其他零部件之間特殊空間位置關系，影響到造型、內(nèi)飾、電池包、底盤、側圍、頂棚、電器元件、線束的布局設計，設計過程中關聯(lián)因素眾多，因此開發(fā)周期長，設計變更多。

本文作者針對某款新型電動客車，在研發(fā)階段對制冷空調(diào)右風道的兩個設計方案進行CFD 模擬，對比出風口風速大小及均勻性，甄選最優(yōu)設計方案。

1 幾何模型

空調(diào)風道主要由進風口、主風道、出風口組成，其主要功能是把空調(diào)主機產(chǎn)生的新風，均勻地輸送到車廂內(nèi)部，使車廂內(nèi)空氣清新，溫度、濕度適宜，給駕乘人員一個舒適的環(huán)境。

圖1，2 示出的2 個設計方案最主要區(qū)別是方案1 的主風道頭部采用變截面設計，而方案2 是采用直通型截面設計，其他設計完全相同。

2 網(wǎng)格模型

采用Gambit2.3.16 進行網(wǎng)格劃分，使用6 面體單元，方案1 劃分8 270 831 個單元，產(chǎn)生8 785 953 個節(jié)點，方案2 劃分8 168 426個單元，產(chǎn)生8 901 774 個節(jié)點。

圖3 ～5 所示為2 個方案中局部網(wǎng)格圖片。

圖3 示出了風口處網(wǎng)格，2 個方案的風口處網(wǎng)格相同。圖4 示出了方案1 的變截面處網(wǎng)格。圖5 示出了主截面處網(wǎng)格，2個方案在主截面處網(wǎng)格相同。

3 有限元計算

采用Fluent6.3.26 版本進行求解，該軟件含有豐富的湍流模型，能夠求解流場和進行多相流、流固耦合熱輻射計算，方便二次開發(fā)，使用界面友好［2］。

在模擬過程中，兩方案均在同一工況下，對比計算結果，求解設置完全相同。

3.1 求解設置

求解器選擇基于壓力(Pressure Based) 的隱式(Implicit)方法，該求解器主要用于不可壓縮流動［2］。

湍流模型選用雙方程(k-epsilon) 標準(Standard) 模型，該模型有相當?shù)挠嬎憔?，計算量合適，應用較多［2］。

空氣屬性采用Fluent 軟件默認屬性，密度(Density) 為1.225 kg/m3，黏度(Viscosity) 為1.754 ×10-4Pa·s。

主風道有4 個進風口，邊界條件采用速度入口(Velocityinlet) 條件，每個進風口速度為11 m/s，湍動能(Turbulent Kinetic Energy ) 取0.266 7 m2/s3，湍動能耗散率 (Turblent Disspation Rate) 取0.133 571 m2/s3。出風口有26 個，采用壓力出口(Pressure Outlet) 條件［3］。

3.2 求解控制

壓力與速度耦合方法，采用SIMPLE 算法，SIMPLE 算法使用壓力和速度之間的相互校正關系來強制質(zhì)量守恒并獲取壓力場，適用于穩(wěn)態(tài)計算。動量、湍動能、湍動耗散率均采用二價迎風插值格式(Second Order Upwind)。二價迎風格式是通過單元中心解在單元中心處的泰勒展開來實現(xiàn)單元表面的二階精度值，計算精度較高［4］。

4 計算結果

4.1 殘差曲線

圖6，7 分別示出了2 個方案計算的殘差曲線。由殘差圖可看出，2 個方案求解收斂穩(wěn)定。方案1 計算到1 081 步時滿足收斂條件，方案2 計算到625 步時滿足收斂條件。

4.2 風口風速

表1 示出了2 個方案模擬計算出的風口處點平均風速，以及風速對比值。

表1 出風口處點平均風速

出風口風速設計目標為4 ～8 m/s 之間，最大最小風速差小于3 m/s，以滿足車身內(nèi)對新風的需求。

由表1 中數(shù)據(jù)可看出，方案1 中，最大風速為8.3 m/s，最小風速為2 m/s，最大最小風速差為6.3 m/s，風速差過大;2、3、6 號風口風速均小于4 m/s，因此，方案1 沒有達到設計目標。

方案2 中，最小風速為5.4 m/s，最大風速為8.1 m/s，最大最小風速差為2.8 m/s，方案2 達到設計目標。

由風速對比數(shù)據(jù)可看出，方案2 的1 ～6 號風口風速均有所增加，增加范圍在1.9 ～5.9 m/s 之間，7 ～26 號風口風速均有所減少，減小范圍在1.4 ～1.7 m/s 之間。究其原因，方案1的1 ～6 號風口在變截面位置，氣流通過變截面的臺階之后，動能減小，動壓降低，致使1 ～6 號風口風速較小; 而方案2的設計，在整個主風道上采用直通型截面，沒有臺階產(chǎn)生，氣流在主風道內(nèi)流動暢通，因此，1 ～6 號出風口處的動能較大，風速就有所提高，同時，7 ～26 號出風口處動能有所降低，風速減小。由此看出，主風道截面以直通型設計較佳，變截面設計容易造成風速不均、風速差異過大的結果，影響整車內(nèi)部通風效果［3］。

4.3 流場分析

圖8，9 分別是方案1 和方案2 的1 ～6 號風口處速度矢量圖，可以看出，方案2 的風速均勻一致，而方案1 的風速不理想。

圖10，11 分別是方案1 和方案2 的3、6 號風口截面處速度矢量圖，可以看出，方案2 的主風道內(nèi)流動穩(wěn)定，出風口處風速均勻，而方案1 的主風道內(nèi)流動紊亂，出風口處風速不均勻。

圖12，13 分別示出了方案1 和方案2 的流動跡線，可以看出，空氣從進風口進入主風道后，以螺旋型流動跡線向主風道兩端流動，方案1 的流動跡線，在經(jīng)過臺階前后，由螺旋型改變?yōu)橹本€型，造成動能損失; 而方案2 的主風道內(nèi)沒有臺階存在，流動跡線仍以螺旋型為主，動能損失較小，因此風口風速均勻穩(wěn)定。

5 結論

(1) 空調(diào)風道出風口風速大小、均勻性是評價空調(diào)系統(tǒng)設計好壞的一個重要指標，通過本文作者的模擬對比分析，得出主風道設計應以直通型截面設計為主，盡量避免變截面臺階的設計，以滿足設計要求。

(2) 電動客車在研發(fā)階段，采用CFD 分析方法，與機械設計同步進行，能夠快速有效地提升設計質(zhì)量，保證整車的性能。

【1】韓占忠.Fluent：流體工程仿真計算實例與分析［M］.北京：北京理工大學出版社，2009.

【2】王福軍. 計算流體動力學分析： CFD 軟件原理與應用［M］. 北京：清華大學出版社，2004.

【3】孔瓏.工程流體力學［M］.2 版.北京：水利水電出版社，1992.

【4】Zienkiewicz O C，Taylor R L. 有限元方法： 第3 卷： 流體動力學［M］.5 版.符松，劉揚揚，譯.北京：清華大學出版社，2008.