某SUV車型乘員艙氣流均衡性分析

郭亞朝 王文龍 梁正偉 楊麗 劉德春

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

隨著汽車產(chǎn)品的逐漸升級(jí)，消費(fèi)者對(duì)舒適度要求逐漸提高。為提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，需要在整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中保證乘員艙內(nèi)氣流均衡性，防止乘員產(chǎn)生過(guò)冷過(guò)熱等不適感受，得到較好的乘員舒適性。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用CFD仿真技術(shù)識(shí)別和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證和優(yōu)化，能夠很大程度上降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本縮短開(kāi)發(fā)周期。文章基于某SUV車型進(jìn)行乘員艙內(nèi)氣流均衡性CFD仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終在整車上實(shí)現(xiàn)了良好的熱舒適性。

1 理論基礎(chǔ)

CFD仿真是基于質(zhì)量守恒、牛頓第二定律及能量守恒3個(gè)流體運(yùn)動(dòng)基本原理，其數(shù)學(xué)描述為連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程[1]。文章為冷態(tài)流場(chǎng)分析，不涉及能量方程。

在湍流數(shù)值模擬方法中標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型是經(jīng)典的雙方程模型，在當(dāng)前仿真分析中廣泛應(yīng)用，其中包含k和ε2個(gè)未知量，對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為[1]：

式中：Gk，Gb——平均速度梯度和浮力引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)，kg/（m·s3）；

YM——可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的影響，kg/（m·s3）；

C1ε，C2ε，C3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

Sk，Sε——用戶定義的源項(xiàng)，kg/（m·s3）；

ρ——流體體積質(zhì)量，kg/m3；

ε——湍流耗散率，m2/s3；

k——湍動(dòng)能，J/kg；

ui——i方向上的速度分量，m/s；

t——時(shí)間，s；

μ，μt——流體動(dòng)力粘度和湍動(dòng)粘度，Pa·s；

σk，σε——湍動(dòng)能和耗散率的prandtl數(shù)。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

因?yàn)椴煌瑖?guó)家的消費(fèi)者對(duì)舒適度要求不同，所以必須保證乘員艙氣流均衡性，相應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下。

1）出風(fēng)范圍要求：鉛垂方向，極上位置吹到人頭部以上，目標(biāo)角度為α，極下位置處吹到腹部，目標(biāo)角度為β；水平方向，氣流能夠包絡(luò)整個(gè)身體，目標(biāo)角度分別為γ和δ，如圖1所示。

2）風(fēng)量分配均勻。前排4個(gè)出風(fēng)口設(shè)計(jì)目標(biāo)均為15%~25%，后排2個(gè)出風(fēng)口均為5%~15%。

3）出風(fēng)口速度均勻度（UIV）不小于70%。UIV計(jì)算公式：

式中：Vf——f單元上的速度，m/s；

Af——f單元的面積，m2；

Vˉ——面平均速度，m/s。

3 仿真分析

3.1 仿真模型建立

基于CAD數(shù)據(jù)建立乘員艙CFD仿真模型，各出風(fēng)口位置，如圖2所示。

3.2 仿真工況確定

針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)確定仿真工況，如表1所示。

表1 CFD仿真工況要求

3.3 仿真結(jié)果及評(píng)價(jià)

1）由CAS1得到流量分配比例及各出風(fēng)口速度均勻度，如表2所示，各出風(fēng)口速度云圖，如圖3所示。

表2 CAS1中各出風(fēng)口流量分配比例和均勻度 %

仿真結(jié)果顯示：流量分配滿足設(shè)計(jì)要求。后排2個(gè)出風(fēng)口均勻度小于70%，不滿足要求。

2）由CAS2得到水平方向等速面，如圖4所示。從圖4可以看出，氣流在乘員前方交匯，并擴(kuò)散到兩側(cè)肩部，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）由CAS3得到鉛垂方向極上位置等速面仿真結(jié)果，如圖5所示。從圖5可以看出，氣流方向未達(dá)到頭部以上α角位置，不滿足設(shè)計(jì)要求。

4）由CAS4得到鉛垂方向極下位置等速面仿真結(jié)果，如圖6所示。從圖6可以看出，氣流方向達(dá)到腹部β角位置，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 優(yōu)化方案及CFD驗(yàn)證

針對(duì)上述不滿足設(shè)計(jì)要求的項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)變化，如圖7所示。優(yōu)化前后仿真結(jié)果，如圖8所示。

優(yōu)化后，后排出風(fēng)口速度均勻度分別為80%，81%；格柵處于極上位置時(shí)氣流方向達(dá)到頭部以上α角位置，滿足了設(shè)計(jì)要求。

由于進(jìn)行優(yōu)化后可能導(dǎo)致其他項(xiàng)目不再滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)驗(yàn)證這種優(yōu)化方案滿足其他設(shè)計(jì)要求，所以確定為最終方案。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)工況車速為60 km/h，環(huán)境溫度為40℃，濕度為50%，日照強(qiáng)度為1 000 W/m2，空調(diào)為吹面模式、內(nèi)循環(huán)、最大制冷。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，如表3所示。

表3 各工況風(fēng)速測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 m/s

試驗(yàn)結(jié)果顯示，乘員艙內(nèi)氣流均衡，乘員未出現(xiàn)嚴(yán)重冷熱不均現(xiàn)象。

6 結(jié)論

在整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，采用CFD仿真分析手段對(duì)乘員艙氣流均衡性各項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行了評(píng)估和預(yù)測(cè)。針對(duì)不滿足項(xiàng)目提出了可行性改善方案。按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行樣車試驗(yàn)，結(jié)果顯示乘員艙內(nèi)氣流均衡，滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。驗(yàn)證了在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期引入CFD仿真分析能夠?qū)崿F(xiàn)性能的預(yù)測(cè)，合理規(guī)避設(shè)計(jì)中的風(fēng)險(xiǎn)，降低后期試驗(yàn)整改和設(shè)計(jì)變更成本。