韋杰宏,李東萍,倪佳鑫,沈鑒彪
(1.東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司,廣西 柳州545000;2.北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司,北京100191)
空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車(chē)必備的系統(tǒng)之一,隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和人們對(duì)于乘駛舒適度要求的提升,汽車(chē)空調(diào)的性能越來(lái)越受到人們重視。對(duì)于汽車(chē)空調(diào)的研究有試驗(yàn)和仿真兩種方法。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟,汽車(chē)空調(diào)的仿真研究被更多的用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析階段,很多學(xué)者也對(duì)汽車(chē)空調(diào)的仿真研究開(kāi)展了很多有價(jià)值的工作。
對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中換熱器的仿真建模方法主要有分布參數(shù)法和移動(dòng)邊界法兩種方法。也有學(xué)者提出基于改進(jìn)型的集總參數(shù)法來(lái)建立換熱器動(dòng)態(tài)模型[1]。分布參數(shù)法狀態(tài)量較多,精度較高,但是求解速度略慢;移動(dòng)邊界法求解速度快,但精度低于分布參數(shù)法,并且對(duì)于初始參數(shù)設(shè)定的要求較高,魯棒性較差[2]。兩種方法都被廣泛地應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)及汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的建模當(dāng)中。陳芝久等[3]使用移動(dòng)邊界法對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真建模,得到了與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果良好的仿真模型。張凱等[4]使用AMESim軟件對(duì)汽車(chē)空調(diào)中平行流冷凝器進(jìn)行了性能仿真及分析,對(duì)比了模型的準(zhǔn)確性并發(fā)現(xiàn)合理布置流道可以改善冷凝器換熱性能。對(duì)于汽車(chē)空調(diào)中的其他部件如壓縮機(jī)和熱力膨脹閥,可以采用穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行建立,其中,膨脹閥主要影響到系統(tǒng)蒸發(fā)器出口的過(guò)熱度。梁彩華[5],尹友俊[6]分別在自己的空調(diào)仿真系統(tǒng)中研究了膨脹閥對(duì)系統(tǒng)過(guò)熱度的調(diào)節(jié)作用。壓縮機(jī)主要與系統(tǒng)循環(huán)流量和高低壓差相關(guān),很多學(xué)者對(duì)于壓縮機(jī)的研究側(cè)重于對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)[7,8]及轉(zhuǎn)子的研究[9]。
目前有很多可以用于汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)建模的仿真平臺(tái),如 Dymola ,F(xiàn)lowmaster,AMESim[4]和 Kuli等。本文基于Dymola平臺(tái)中的ACL商業(yè)庫(kù)搭建了某款純電動(dòng)汽車(chē)的空調(diào)系統(tǒng),介紹了在仿真模型開(kāi)發(fā)過(guò)程中各部件的建模原理及標(biāo)定方法,并與零部件的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及空調(diào)系統(tǒng)的臺(tái)架數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真精度對(duì)比分析。
Dymola軟件平臺(tái)是法國(guó)達(dá)索公司的多領(lǐng)域建模仿真軟件,其基于開(kāi)源的Modelica語(yǔ)言進(jìn)行建模,支持最新的Modelica基礎(chǔ)模型庫(kù),且擁有由TLK、DLR、Modelon、Claytex、ATI等行業(yè)內(nèi)頂級(jí)的公司開(kāi)發(fā)并經(jīng)過(guò)工業(yè)驗(yàn)證的專(zhuān)業(yè)模型庫(kù),如電機(jī)、空調(diào)、熱流體、電氣、熱力學(xué)、液壓、氣動(dòng)和控制等專(zhuān)業(yè)元件庫(kù),為機(jī)械、電氣、液壓等多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真提供了極大的便利性。
ACL庫(kù)隸屬于Modelon公司,可應(yīng)用于空調(diào)制冷循環(huán)的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)系統(tǒng)仿真和參數(shù)優(yōu)化,該模型庫(kù)在戴姆勒-奔馳汽車(chē)和漢堡工業(yè)大學(xué)多年的應(yīng)用中不斷得到驗(yàn)證和改進(jìn),已成為Audi、BMW、Daimler、Volkswagen等整車(chē)廠及其供應(yīng)商進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)建模分析的首選工具,被德國(guó)整車(chē)廠作為基準(zhǔn)測(cè)試工具。
汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中的換熱器部件是蒸發(fā)器和冷凝器,這兩種換熱器多為平行流式,空氣和制冷劑進(jìn)行側(cè)流形式的換熱。ACL庫(kù)中的換熱器模型,基于詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,并提供了豎直流和水平流兩種流程形式的平行流換熱器,如圖1.圖示換熱器具有兩層結(jié)構(gòu),每層有3個(gè)換熱器流道,每塊流道由特定數(shù)量的制冷劑流道和翅片構(gòu)成,如圖1(c)所示。制冷劑在換熱器中流動(dòng)順序依次為1-2-3-4-5-6,從而達(dá)到制冷劑在換熱器內(nèi)部的充分流動(dòng)和換熱。結(jié)合車(chē)型配置實(shí)際,本文使用豎直流的平行流換熱器來(lái)仿真層疊式蒸發(fā)器,使用水平流換熱器仿真冷凝器。
圖1 平行流換熱器流程結(jié)構(gòu)示意圖
蒸發(fā)器和冷凝器的建模原理相同,均是基于分布參數(shù)法對(duì)模型進(jìn)行分段。如圖2所示,對(duì)于管內(nèi)流體(制冷劑),沿制冷劑流程方向上劃分n個(gè)單元體;對(duì)于翅片側(cè)流體(空氣),同樣沿空氣流道方向進(jìn)行n個(gè)單元體的劃分。在模型中,對(duì)于空氣流體的劃分,忽略了翅片幾何結(jié)構(gòu)上的影響,翅片的影響主要在于模型計(jì)算換熱和流阻時(shí)體現(xiàn)。
圖2 平行流換熱器分布參數(shù)法示意圖
對(duì)于制冷劑每個(gè)單元體,模型均考慮了質(zhì)量平衡方程,能量平衡方程及動(dòng)量方程[10]。如下式(1)-(3)。
其中,m為質(zhì)量流量,V為單元體體積,ρ為密度,h為焓值,Q為單元體與外界換熱量,p為壓力,腳標(biāo)in代表入口,out代表出口,dploss代表單元體內(nèi)阻力損失,需要注意流量及熱量具有方向性,統(tǒng)一規(guī)定流入為正,流出為負(fù)。
對(duì)于空氣側(cè)流體,同樣考慮了質(zhì)量平衡、能量平衡及動(dòng)量方程,方程形式與式(1)-(3)類(lèi)似,這里不再贅述。值得一提的是,ACL庫(kù)針對(duì)空氣側(cè),采用了濕空氣介質(zhì)來(lái)進(jìn)行計(jì)算,從而可以得到空氣在換熱過(guò)程的濕度變化及結(jié)露情況。
壓縮機(jī)是汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中提供循環(huán)動(dòng)力的部件。相比換熱器中液體量大,液體流程長(zhǎng),流體流經(jīng)壓縮機(jī)的流程短,響應(yīng)快。因此,壓縮機(jī)可簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)部件。在ACL中提供了一系列不同的壓縮機(jī)模型可供選擇,如圖3(a)。不同的壓縮機(jī)模型提供的參數(shù)輸入不同,但是內(nèi)部壓縮機(jī)建模原理基本類(lèi)似。流經(jīng)壓縮機(jī)內(nèi)部的質(zhì)量流量計(jì)算方法如式(4),出口焓值可由等熵效率公式計(jì)算得到,如式(5)。
其中,m為質(zhì)量流量,ρ為流體密度,V為壓縮機(jī)排量,和壓縮機(jī)型號(hào)相關(guān),N為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,ηv為容積效率,hout,s為等熵過(guò)程壓縮機(jī)出口焓值,hout為壓縮機(jī)實(shí)際出口焓值,hin為壓縮機(jī)入口焓值。另外,ACL也考慮了壓縮機(jī)內(nèi)部的機(jī)械效率,從而也可得到壓縮機(jī)功耗信息。
圖3 AirConditioning庫(kù)中壓縮機(jī)和熱力膨脹閥類(lèi)型
在ACL中提供了多種類(lèi)型的熱力膨脹閥可供用戶(hù)選擇,如圖3(b)。在熱力膨脹閥中,閥門(mén)的開(kāi)合程度和閥芯上下壓力及彈簧彈力相關(guān)。如圖4中所示,閥芯上部受到來(lái)自感溫包的氣體壓力為Fb,下部有蒸發(fā)壓力Fe及彈簧壓力Fx.三力滿足平衡關(guān)系,如式(6)。彈力Fx的大小決定了彈簧的形變程度,從而決定了閥芯的開(kāi)度,如式(7)所示。式(7)中x0為彈簧的初始形變長(zhǎng)度,可根據(jù)工況進(jìn)行設(shè)定,x為彈簧由于外界受力變化而造成的彈性形變大小。閥門(mén)開(kāi)度大小決定了膨脹閥中通過(guò)的流量大小,其計(jì)算關(guān)系由相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式求得[11]。
圖4 熱力膨脹閥閥芯壓力示意圖
儲(chǔ)液罐位于空調(diào)系統(tǒng)冷凝器出口處,用來(lái)儲(chǔ)存高壓端冷凝器冷卻的過(guò)冷液,并充當(dāng)汽液分離器的作用。模型中所使用ACL中的儲(chǔ)液罐原理圖如圖5所示。當(dāng)進(jìn)口制冷劑狀態(tài)為汽液兩相混合物時(shí),只要液位高度hl在排液管高度ht之上,出口便會(huì)流出液體。
圖5 儲(chǔ)液罐示意圖
2.1.1 換熱能力標(biāo)定
為了提高仿真精度,在dymola使用換熱器模型時(shí),可以借助換熱器的性能臺(tái)架數(shù)據(jù),對(duì)換熱器的換熱系數(shù)和流動(dòng)阻力情況進(jìn)行標(biāo)定。換熱器的綜合換熱系數(shù)k,與制冷劑的對(duì)流換熱系數(shù),空氣的對(duì)流換熱系數(shù),管壁的熱阻及接觸熱阻有關(guān),可表示成式(9)。其中,hf為制冷劑側(cè)對(duì)流換熱系數(shù),hair為空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù),d為管壁厚度,λ為管壁導(dǎo)熱系數(shù),r0為接觸熱阻。d及λ可根據(jù)換熱器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于制冷劑側(cè)換熱較好,管壁熱阻和接觸熱阻較小,對(duì)換熱器換熱系數(shù)影響最大的因素為空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)hair,并且可以根據(jù)試驗(yàn)來(lái)標(biāo)定空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)來(lái)抵消模型中對(duì)其他幾項(xiàng)計(jì)算不準(zhǔn)確的影響。
在換熱過(guò)程中,空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)可以用式(10)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行近似。其中,Nu為流體的努塞爾特?cái)?shù),Re為雷諾數(shù),Pr為普朗特?cái)?shù)。式(10)中含有兩個(gè)未知參量c1,c2.根據(jù)對(duì)換熱器進(jìn)行的兩組傳熱性能試驗(yàn)便可以求得系數(shù)c1,c2.根據(jù)換熱器臺(tái)架數(shù)據(jù),處理后可以得出四組試驗(yàn)的Nu數(shù),Re數(shù)和Pr數(shù),如表1.對(duì)式(10)進(jìn)行處理,兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù),得到式(11)。從表1中也可看出,Pr數(shù)在傳熱過(guò)程中基本保持不變。因此可以對(duì)式(11)進(jìn)行處理得到可用于線性回歸計(jì)算的式(12)。根據(jù)式(12)進(jìn)行線性回歸可得到相應(yīng)的系數(shù)c1,c2.線性回歸結(jié)果如圖6所示。
從圖6中可以看到,對(duì)冷凝器和蒸發(fā)器進(jìn)行回歸分析,結(jié)果良好。冷凝器的回歸結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.956,蒸發(fā)器的為0.872 3.冷凝器系數(shù)c1=0.547 3,c2=0.676 5;蒸發(fā)器系數(shù) c1=0.059 1,c2=1.079.
圖6 換熱器線性回歸計(jì)算結(jié)果
將得到的系數(shù)代入模型中,使用模型對(duì)試驗(yàn)的幾組工況再次仿真,此時(shí)模擬值與試驗(yàn)值的誤差列于表1.可以看到,通過(guò)對(duì)空氣側(cè)換熱系數(shù)的標(biāo)定,可較準(zhǔn)確反映換熱器整體的換熱能力,幾組試驗(yàn)工況的換熱相對(duì)誤差在1%之內(nèi)。
表1 試驗(yàn)工況無(wú)量綱數(shù)及換熱量比對(duì)情況
2.1.2 流動(dòng)阻力標(biāo)定
對(duì)換熱器換熱能力標(biāo)定以外,還需要對(duì)換熱器的流阻進(jìn)行標(biāo)定。在ACL庫(kù)的換熱器模型中,提供了可以被用于標(biāo)定的流動(dòng)阻力計(jì)算函數(shù),如式(13)。其中,△p為流體的壓力損失,m為流體質(zhì)量流量,m0為用于無(wú)量綱化的參考質(zhì)量流量,在計(jì)算中選擇一經(jīng)驗(yàn)值即可。ρ為平均流體密度,ρ0為參考流體密度。流體流動(dòng)過(guò)程中密度變化很小,可以忽略ρ/ρ0這一項(xiàng)。同樣,對(duì)式(13)兩邊取對(duì)數(shù)可以得到線性化的公式(14),可根據(jù)試驗(yàn)的壓損情況對(duì)部件的流阻進(jìn)行標(biāo)定求解。
對(duì)換熱器進(jìn)行試驗(yàn)所測(cè)量的流量和壓損關(guān)系列于表2,根據(jù)試驗(yàn)分別對(duì)蒸發(fā)器空氣側(cè),蒸發(fā)器制冷劑側(cè),冷凝器空氣側(cè)及冷凝器制冷劑側(cè)的流阻情況使用式(14)進(jìn)行線性回歸,為避免贅述,詳細(xì)求解情況不列于此處,模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比結(jié)果列于表2,從中可以發(fā)現(xiàn)標(biāo)定后的流阻仿真結(jié)果良好,最大相對(duì)誤差出現(xiàn)在冷凝器的制冷劑側(cè),為7.02%.空氣側(cè)的模擬結(jié)果優(yōu)于制冷劑側(cè)的結(jié)果,因?yàn)樵诹鲃?dòng)中空氣側(cè)為單相流體,未發(fā)生相變。而制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器中均有相變發(fā)生,汽液兩相流動(dòng)時(shí)的阻力損失現(xiàn)象較為復(fù)雜,因而采用式(13)的形式對(duì)阻力損失進(jìn)行模擬會(huì)產(chǎn)生些許誤差,但總體結(jié)果仍可滿足工程應(yīng)用要求。
表2 換熱器中壓力損失模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
ACL庫(kù)中對(duì)壓縮機(jī)模型考慮的較為詳細(xì),在建立過(guò)程中只需要輸入壓縮機(jī)的效率曲線即可,也就是等熵效率及容積效率隨壓比及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。壓縮機(jī)效率曲線可以從供應(yīng)商處得到,如表3和表4所示。另外,所使用壓縮機(jī)的排量為33 cm3.根據(jù)廠家提供的參數(shù)可建立起壓縮機(jī)的仿真模型,借助系統(tǒng)試驗(yàn)中壓縮機(jī)進(jìn)出口的溫度、壓力以及流量數(shù)據(jù)可對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果及模擬驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。
表3 壓縮機(jī)等熵效率隨轉(zhuǎn)速和壓比變化關(guān)系
表4 壓縮機(jī)容積效率隨轉(zhuǎn)速和壓比變化關(guān)系
表5 壓縮機(jī)模擬結(jié)果與試驗(yàn)比較情況
根據(jù)能量平衡,功耗結(jié)果一定程度反映了壓縮機(jī)出口制冷劑的焓值和溫度情況,因此模擬結(jié)果主要對(duì)比了壓縮機(jī)的流量和壓縮機(jī)的功耗。結(jié)果顯示這兩項(xiàng)對(duì)標(biāo)良好,幾組不同工況下壓縮機(jī)流量的模擬結(jié)果誤差在6%左右,功耗誤差在1%至7%之間變化,均滿足工程需要。壓縮機(jī)模型的誤差來(lái)源主要來(lái)源于效率曲線在模型中是基于廠家所提供數(shù)據(jù)插值得到,容積效率及等熵效率的求解出現(xiàn)誤差,以及實(shí)際試驗(yàn)工況時(shí)壓縮機(jī)性能可能與出廠測(cè)試時(shí)性能略有差異。
根據(jù)前述所標(biāo)定好的零部件模型,可以逐步搭建出空調(diào)系統(tǒng)仿真模型。需要注意的是空調(diào)系統(tǒng)模型的建立需要按步驟進(jìn)行,通過(guò)在基本部件上逐步添加其它部件來(lái)完成。這是因?yàn)?,Dymola的建模方法是非因果建模,如果直接搭建起完整的系統(tǒng)模型,沒(méi)有調(diào)試將可能會(huì)因?yàn)槌跏紬l件設(shè)置問(wèn)題而初始化失敗。
如圖7所示,在壓縮機(jī)模型的基礎(chǔ)上建立空調(diào)回路,如(a);按試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置邊界條件,調(diào)試成功后在壓縮機(jī)的出口連接冷凝器,并進(jìn)行邊界條件設(shè)置和調(diào)試,如(b);調(diào)試成功后在冷凝器出口添加儲(chǔ)液罐和熱力膨脹閥,繼續(xù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及調(diào)試,如(c);然后在閥門(mén)出口處添加蒸發(fā)器,設(shè)置相關(guān)邊界條件繼續(xù)調(diào)試,如(d)。此時(shí)需要注意需使蒸發(fā)器出口出的制冷劑參數(shù)和壓縮機(jī)入口處制冷劑參數(shù)相接近,在這樣的情況下,可以刪除調(diào)試使用的流體源和流體匯,封閉循環(huán)構(gòu)成完整的制冷系統(tǒng)。
圖7 Dymola中空調(diào)系統(tǒng)建立步驟說(shuō)明
借助空調(diào)系統(tǒng)的臺(tái)架數(shù)據(jù),可驗(yàn)證所建立的系統(tǒng)模型的精度。仿真過(guò)程中,不再對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行其他方面的調(diào)整,僅根據(jù)試驗(yàn)工況對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果及仿真結(jié)果的比對(duì)結(jié)果如表6所示。
表6 系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比情況
表6總共比較了三組試驗(yàn)工況下的結(jié)果。這三組試驗(yàn)的空調(diào)系統(tǒng)冷凝器和蒸發(fā)器外部空氣流量、溫度、濕度均相同,不同的是三組試驗(yàn)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)1的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為8 000 rpm,試驗(yàn)2的轉(zhuǎn)速為6 000 rpm,試驗(yàn)3為4 000 rpm.較大的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)著較大的制冷劑流量和較高的冷凝壓力。
從表6可以看出,對(duì)于汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)各部件工況的仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果符合良好,整體偏差較小,最大偏差出現(xiàn)在系統(tǒng)流量和壓縮機(jī)出口溫度處,此兩項(xiàng)誤差均與壓縮機(jī)模型相關(guān)。蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)出口的壓力和溫度情況,仿真與試驗(yàn)結(jié)果符合良好。對(duì)于工程應(yīng)用所關(guān)心的空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)溫度,三組對(duì)比結(jié)果顯示最大偏差只有1.5℃,最大相對(duì)誤差14%,而對(duì)于壓縮機(jī)功耗,最大模擬偏差為0.3 kW,最大相對(duì)誤差為10%.綜上所述,基于ACL所搭建的汽車(chē)空調(diào)仿真模型,能夠真實(shí)的反映實(shí)際系統(tǒng),精度滿足工程應(yīng)用要求。
本文基于多學(xué)科仿真平臺(tái)Dymola中的ACL模型庫(kù)建立了汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型,該仿真模型能夠準(zhǔn)確的反映實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況。主要結(jié)論有以下幾點(diǎn):
(1)在ACL庫(kù)模型的基礎(chǔ)上根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)換熱器空氣側(cè)的傳熱系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,能夠修正靠經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得帶來(lái)的誤差。本文使用修正后的換熱器模型,與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比的最大相對(duì)誤差為0.98%.
(2)通過(guò)對(duì)ACL庫(kù)中換熱器壓降公式的標(biāo)定,可以使換熱器模型較為準(zhǔn)確的與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)。空氣側(cè)壓降經(jīng)過(guò)標(biāo)定后,與試驗(yàn)符合的效果優(yōu)于制冷劑側(cè)。本文中修正后的模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)的最大誤差為7.02%.
(3)通過(guò)標(biāo)定后的零部件模型建立的汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)模型能夠準(zhǔn)確的反映實(shí)際系統(tǒng),模擬結(jié)果的偏差主要來(lái)源于壓縮機(jī)模型。對(duì)于空調(diào)出風(fēng)溫度的模擬最大偏差為1.5℃,相對(duì)誤差為14%;對(duì)壓縮機(jī)功耗模擬的最大偏差為0.3 kW,相對(duì)誤差為10%.