不同湍流模型下的汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道仿真分析

黎 帥 林銀輝 江風(fēng)雨

不同湍流模型下的汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道仿真分析

黎 帥1林銀輝1江風(fēng)雨2

（1.廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院 廣州 511434；2.江淮大眾汽車(chē)有限公司 合肥 230022)

汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)影響著風(fēng)道中氣流的流動(dòng)阻力、氣動(dòng)噪聲和出風(fēng)指向性。在車(chē)型開(kāi)發(fā)的早期準(zhǔn)確地計(jì)算風(fēng)道中的流體運(yùn)動(dòng)可以在縮短開(kāi)發(fā)周期和減少開(kāi)發(fā)成本的基礎(chǔ)上，提高乘員艙的舒適性。為了減少CFD仿真的誤差，當(dāng)前的研究探討四種湍流模型對(duì)風(fēng)道壓損和流量分配的影響，并與四種模型的計(jì)算均值對(duì)比。結(jié)果表明，四種湍流模型的壓損仿真值差異在32Pa以?xún)?nèi)，v2f湍流模型在壓損和流量分配的計(jì)算上與四種湍流模型計(jì)算的均值最為接近。

汽車(chē)空調(diào)；風(fēng)道；CFD仿真；湍流模型

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)可以改善乘員艙內(nèi)的空氣狀態(tài)，具有調(diào)節(jié)溫度、濕度和通風(fēng)凈化等作用，直接關(guān)系到乘員艙的舒適性。送風(fēng)風(fēng)道是汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中重要的部件之一，其設(shè)計(jì)水平直接影響車(chē)內(nèi)氣流流動(dòng)阻力、氣動(dòng)噪聲和出風(fēng)指向性。準(zhǔn)確地分析計(jì)算空調(diào)風(fēng)道流動(dòng)阻力和風(fēng)量分配，對(duì)評(píng)價(jià)風(fēng)道設(shè)計(jì)的合理性和提高乘員的舒適性非常重要。隨著CFD（Computational Fluid Dynamics）計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和成熟，在車(chē)型開(kāi)發(fā)的早期，對(duì)空調(diào)風(fēng)道中氣流的流動(dòng)進(jìn)行仿真分析，可盡早地暴露設(shè)計(jì)存在的缺陷和不足，繼而針對(duì)性地提出改進(jìn)措施以縮短開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)成本。

當(dāng)前使用CFD方法對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)道進(jìn)行的研究較多。文獻(xiàn)[1-4]對(duì)汽車(chē)空調(diào)吹面風(fēng)道進(jìn)行了CFD仿真計(jì)算，分析了空調(diào)吹面風(fēng)道的氣流流動(dòng)狀況，并基于這些流動(dòng)特征對(duì)空調(diào)風(fēng)道設(shè)計(jì)的進(jìn)行了評(píng)估與改進(jìn)，并針對(duì)性地采取措施，提高了汽車(chē)空調(diào)整體的使用性能。文獻(xiàn)[5，6]對(duì)除霜風(fēng)道進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了結(jié)構(gòu)型式、進(jìn)風(fēng)口溫度和風(fēng)量、除霜格柵角度多個(gè)因素對(duì)前擋風(fēng)玻璃除霜性能影響。文獻(xiàn)[7-11]分別采用了CFD的方法對(duì)客車(chē)、地鐵、地鐵車(chē)站、列車(chē)和礦山車(chē)輛乘員艙的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和改進(jìn)研究。一些研究對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道進(jìn)行了優(yōu)化研究，文獻(xiàn)[12]在改進(jìn)空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選取40個(gè)樣本點(diǎn)，建立了三階響應(yīng)面模型，然后利用遺傳算法對(duì)該響應(yīng)面模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上研究均采用CFD的方法對(duì)空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行了深入的研究，僅有個(gè)別文獻(xiàn)與試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比以比較誤差大小。由于幾何模型的簡(jiǎn)化處理、網(wǎng)格尺寸和湍流模型的選擇，仿真難免存在計(jì)算誤差。

文獻(xiàn)[13]比較了低雷諾數(shù)下不同湍流模型和差分格式對(duì)典型流場(chǎng)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的影響。文獻(xiàn)[14-17]采用不同湍流模型研究了庫(kù)區(qū)水溫、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、圓柱面凹坑傳熱、狹縫湍流沖擊射流的計(jì)算精度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明RNG-、標(biāo)準(zhǔn)-、v2f、Realizable-對(duì)于相應(yīng)的研究對(duì)象均體現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性，即不同的研究對(duì)象適用的湍流模型不同。文獻(xiàn)[18]認(rèn)為SST-湍流模型與其他湍流模型相比具有突出的優(yōu)點(diǎn)。本文采用CFD仿真的方法，使用4種湍流模型分析了對(duì)汽車(chē)空調(diào)吹面風(fēng)道壓損和流量分配的影響。

在第一部分介紹汽車(chē)風(fēng)道的幾何模型，第二部分闡述仿真邊界條件的設(shè)置，選擇網(wǎng)格劃分策略和湍流模型。第三部分對(duì)CFD仿真結(jié)果進(jìn)行比較，第四部分對(duì)結(jié)論進(jìn)行說(shuō)明。

1 汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道幾何模型

圖1 吹面風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

汽車(chē)空調(diào)的風(fēng)道由HVAC（Heating Ventilating Air Conditioning）單元（包含鼓風(fēng)機(jī)總成、暖風(fēng)芯體、蒸發(fā)芯體、混風(fēng)門(mén)等部件），風(fēng)道，流量風(fēng)門(mén)，左右調(diào)節(jié)葉片和上下調(diào)節(jié)葉片組成?？照{(diào)吹面風(fēng)道的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，選取某已上市緊湊型轎車(chē)設(shè)計(jì)初期的風(fēng)道作為研究對(duì)象，虛擬的HVAC單元長(zhǎng)寬高分別為320mm×100mm×500mm，保證風(fēng)道入口處的湍流充分發(fā)展。風(fēng)道起著引導(dǎo)流體流動(dòng)的作用，將HVAC中的流體分配到四個(gè)風(fēng)口，風(fēng)道截面寬和高約為75mm×50mm，長(zhǎng)度如圖1所示。葉片的作用是調(diào)節(jié)風(fēng)道出口處流體的流動(dòng)方向，采用厚度為3mm的多葉片，葉片朝向?yàn)樵O(shè)計(jì)狀態(tài)位置，如圖2所示。擴(kuò)散腔的作用使得風(fēng)道出口的靜壓為0，并使整個(gè)計(jì)算域出口的總壓盡量小，擴(kuò)散腔的尺寸為4000mm×2800mm×2000mm（見(jiàn)圖3），使用interface傳遞風(fēng)道與擴(kuò)散腔兩個(gè)域中的數(shù)據(jù)。讀取風(fēng)道壓損數(shù)據(jù)時(shí)取風(fēng)道入口處橫截面流量平均的總壓值。風(fēng)道三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)、方向同整車(chē)坐標(biāo)系一致，如圖3所示。

圖2 中左出風(fēng)口及葉片結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 擴(kuò)散腔的結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真設(shè)置

2.1 邊界條件和流體參數(shù)

風(fēng)道中的流體選擇為25℃時(shí)不可壓縮的干空氣，密度、動(dòng)力粘度分別為1.185kg/m3，1.835×10-5Pa/s。質(zhì)量流量取值為0.128kg/s（見(jiàn)圖1，可換算為體積流量390m3/h），忽略空氣物性參數(shù)隨溫度和壓力的變化。壓力和速度場(chǎng)耦合算法為SIMPLE，動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍流耗散率和能量空間離散算法為二階迎風(fēng)格式。所有壁面均為無(wú)滑移壁面，擴(kuò)散腔出口為壓力出口，出口壓力為0（見(jiàn)圖3）。

2.2 湍流模型和網(wǎng)格劃分策略的選擇

對(duì)于三維穩(wěn)態(tài)的不可壓縮流體，連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程可以用以下形式來(lái)表示。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中，為流體密度；、、為速度在X、Y、Z方向上分量；f、f、f為單位質(zhì)量流體分別沿X、Y、Z方向的受力。c是流體比熱容；是溫度；為流體傳熱系數(shù)；S為粘性耗散項(xiàng)[19]。

合適的湍流模型對(duì)于準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)流體的流動(dòng)至關(guān)重要，由于仿真軟件Star ccm+沒(méi)有RNG-湍流模型，因此選取了Realizable-、Standard-、SST-和v2f四種模型來(lái)仿真風(fēng)道中穩(wěn)態(tài)和時(shí)間平均的流動(dòng)特點(diǎn)?？紤]到不同的湍流模型適用的近壁面網(wǎng)格處理不同，為了盡量保證網(wǎng)格劃分的一致性，在STAR ccm+中可選擇兩層壁面的all y+近壁面處理方式，要求y+小于1。對(duì)于-模型和v2f模型邊界層的總高度為0.35mm，分為3層，增長(zhǎng)率為1.15；-模型邊界層的總高度為2.05mm，分為10層，增長(zhǎng)率為1.15，以保證前三層邊界層高度與-模型和v2f模型一致，均為0.35mm，如表1所示。

表1 不同湍流模型的近壁面網(wǎng)格

在Hypermesh中對(duì)模型表面進(jìn)行幾何清理，抽取吹面風(fēng)道的內(nèi)表面并劃分面網(wǎng)格，面網(wǎng)格的尺寸為2。導(dǎo)入Star ccm+，劃分體網(wǎng)格，采用trim網(wǎng)格，體網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到了為2500萬(wàn)。對(duì)于一臺(tái)4CPUs和32G內(nèi)存的惠普Z(yǔ)440工作站約需要16小時(shí)才能達(dá)到計(jì)算的精度。

3 結(jié)果分析

3.1 風(fēng)道壓損

不同湍流模型的壓損如表2所示，壓損為風(fēng)道入口截面流量平均的總壓值。各個(gè)湍流模型下，左風(fēng)道與右風(fēng)道壓損相近，比中風(fēng)道高2-3Pa，中風(fēng)道的壓損除v2f和Realizable-湍流模型外均與參考均值誤差較大，v2f和Realizable-均與參考值的誤差在2.1%以?xún)?nèi)，處于同一水平。SST-模型中風(fēng)道的仿真值為252Pa，偏大；Standard-模型中風(fēng)道的仿真值為220Pa，偏小，與參考值的誤差分別為7.0%和6.6%。

對(duì)于風(fēng)道壓損的計(jì)算，v2f和Realizable-湍流模型的結(jié)果與參考值比較誤差更小，要好于另外兩個(gè)湍流模型。

表2 不同湍流模型的壓損

3.2 流量分配

表3 不同湍流模型的流量分配

不同湍流模型的流量分配結(jié)果如表2所示，流量分配數(shù)值上的差異較小，取四個(gè)湍流模型的均值作為參考基準(zhǔn)，v2f湍流模型的流量分配與參考值最為接近，誤差在0.03×10-2kg/s以?xún)?nèi)，比例為0.9%。Realizable-湍流模型的結(jié)果雖然誤差也較小，但是不及v2f模型好，誤差可達(dá)到2.2%。SST-誤差最大的出現(xiàn)在中右風(fēng)道處，誤差為0.26×10-2kg/s，與參考基準(zhǔn)的比值為6.8%。

當(dāng)前的計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)量為2500萬(wàn)，已經(jīng)足夠密，繼續(xù)加密網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大。

3.3 改進(jìn)建議

圖4 管道表面速度云圖

管道表面速度如圖4所示，在HVAC中速度較慢，進(jìn)入到管道中后被分為四條支路，由于截面變小，氣流的運(yùn)動(dòng)速度加快。到達(dá)管道的出口時(shí)由于導(dǎo)風(fēng)葉片存在，流動(dòng)的截面進(jìn)一步變小，氣流的運(yùn)動(dòng)速度被加快到10m/s。

圖5 管道表面壓力云圖

管道壁面的壓力分布如圖5所示，入口處的壓力值在250Pa左右，出口的壓力值在0Pa左右，在有拐角的地方壓力下降較快。尤其是在上圖圓框內(nèi)，壓力損失最快，建議改善此處的管道走向，減少管道的扭曲程度，可以極大的降低壓損。

4 結(jié)論

當(dāng)前的研究采用CFD仿真方法對(duì)風(fēng)道的壓損和流量分配進(jìn)行了探討，結(jié)論如下

（1）采用四種湍流模型，比較了計(jì)算結(jié)果，湍流模型壓損差異在32Pa以?xún)?nèi)，以均值作為參考，v2f湍流模型體現(xiàn)出了良好的精度。

（2）統(tǒng)計(jì)管道入口的總壓作為壓損，v2f和Realizable-均與參考值的誤差在2.1%以?xún)?nèi)。

（3）v2f湍流模型的流量分配與參考值最為接近，誤差在0.03×10-2kg/s以?xún)?nèi)，比例為0.9%，略好于Realizable-模型。

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Simulation Investigation of Automobile Air Conditioning Ducts under Different Turbulence Models

Li Shuai1Lin Yinhui1Jiang Fengyu2

( 1.GAC Automotive Research & Development Center, Guangzhou, 511434;2.JAC Volkswagen Automotive Co., Ltd, Hefei, 230022 )

The flow resistance, aerodynamic noise and air directionality in the air duct was influenced by duct geometry structure. Accurately calculating fluid flow states in the air duct can improve the thermal comfort of the passenger compartment on the basis of shortening the development cycle and reducing development costs. In order to reduce the error of CFD simulation, the current study selected four turbulence models and explored the difference on pressure loss and flow distribution of air duct. Compared with the average value of four models, results showed that the v2f turbulence model was closest to the mean value of the four turbulence models in the calculation of pressure loss and flow distribution, which showed a good superiority.

automotive air conditioning; air duct; CFD simulation; turbulence model

1671-6612（2019）06-613-04

U461

A

黎 帥（1992.08-），男，研究生，熱管理工程師，E-mail：lishuai@gacrnd.com

2019-02-25