某商用汽車空調(diào)出風(fēng)口溫度場(chǎng)模擬及優(yōu)化

權(quán)妮 聶永紅 洪進(jìn) 張永波

摘 要：汽車空調(diào)是保證整車舒適性的重要標(biāo)志。本文針對(duì)某商用車平臺(tái)化開(kāi)發(fā)空調(diào)項(xiàng)目，采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的方法，建立了汽車空調(diào)分析模型。使用大型CFD軟件STAR CCM+ 對(duì)汽車空調(diào)內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬和分析，在不改變整體模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)風(fēng)門結(jié)構(gòu)和殼體的局部?jī)?yōu)化，使出風(fēng)口的速度均勻性明顯改善，降低出風(fēng)口左右溫差，提高了整車舒適性。

關(guān)鍵詞：CFD；汽車空調(diào)（HVAC）；溫度場(chǎng)；速度均勻性

中圖分類號(hào)：U463.61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2019）01-0105-05

Abstract： Automobile air-conditioning is an important device to ensure vehicle comfortability. By using the vehicle air condition duct system was established base on CFD method. The inner air-flow and temperature field of HVAC was simulated and analyzed by CFD software STAR CCM+. The performance of the air condition duct system was improved through optimization the outlet of HVAC housing and flap to increase the air distribution. All these improvements can obtain a reasonable air distribution of air duct and improve the vehicle interior comfortability.

Key Words： CFD； Automobile air conditioning （HVAC）； temperature field； velocity homogeneity

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車已經(jīng)成為生活工作中重要組成部分，人們對(duì)整車舒適性的要求越來(lái)越高，這樣就對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求[1]。汽車空調(diào)系統(tǒng)不僅僅要提供合適的空氣溫度和相對(duì)濕度，還要滿足車廂內(nèi)部溫度及風(fēng)速分布的要求[2]。CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)可以模擬汽車空調(diào)內(nèi)部流場(chǎng)和傳熱情況，可以對(duì)空調(diào)出風(fēng)口的溫度及速度均勻性做出評(píng)價(jià)，對(duì)駕駛室內(nèi)部舒適性的研究具有重要的指導(dǎo)意義。

本文依托某商用車平臺(tái)化設(shè)計(jì)汽車空調(diào)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)中期試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)半模式下吹臉出風(fēng)口左右溫差相差太大，不滿足內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)和客戶要求。因其采用零件共用開(kāi)發(fā)策略，外圍條件及風(fēng)道均采用原有車型的設(shè)計(jì)不能變更，通過(guò)對(duì)汽車空調(diào)（HVAC） CFD模擬及優(yōu)化風(fēng)門結(jié)構(gòu)，使出風(fēng)口左右兩側(cè)溫差滿足標(biāo)準(zhǔn)，速度均勻性明顯提高，并改善了整車舒適性，為后期開(kāi)發(fā)研究提供了可行性方案。

1 CFD建模分析

1.1 空調(diào)氣動(dòng)性能簡(jiǎn)介

假設(shè)空調(diào)內(nèi)部空氣為不可壓縮流，忽略分子黏性的影響，湍流模型采用Realizable k-?兩方程模型（整個(gè)流體是完全湍流）。該模型可較精確地模擬如空調(diào)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的擴(kuò)散速度，并且在帶方向壓強(qiáng)的邊界層計(jì)算、分離計(jì)算和旋轉(zhuǎn)流計(jì)算等方面具有較高精度[2～4]。流體運(yùn)動(dòng)及換熱研究的基本控制方程為[3]：

1.2幾何模型處理

采用通用CAD軟件CATIA建立HVAC幾何模型，提取HVAC內(nèi)部流體的實(shí)體區(qū)域，在實(shí)體模型中按照內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)布爾運(yùn)算減掉葉輪和熱交換器（蒸發(fā)器、暖風(fēng)芯體），并將簡(jiǎn)化后的蒸發(fā)器及暖風(fēng)芯子加入到實(shí)體中.汽車空調(diào)幾何模型及出風(fēng)口位置如圖1所示：

1.3 邊界條件設(shè)置

采用穩(wěn)態(tài)分析方法，入口設(shè)置為速度入口，根據(jù)入口流量、葉輪尺寸及經(jīng)驗(yàn)公式得到入口x、y、z三個(gè)方向速度分別為u=4.283 m/s，v=60.542 m/s，w=3.594 m/s，出口設(shè)置為壓力出口。由于熱交換器（蒸發(fā)器、暖風(fēng)芯子）是由扁管和波紋散熱帶組成，該結(jié)構(gòu)對(duì)空氣的流動(dòng)過(guò)程影響很大，一般在流體計(jì)算過(guò)程中將其設(shè)置為多孔介質(zhì)，其中慣性阻力特性值和黏性阻力特性值分別由其單體試驗(yàn)壓降和流速的擬合關(guān)系得出（該慣性阻力特性值和黏性阻力特性值的是根據(jù)東風(fēng)馬勒的產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試擬合得出，其他公司產(chǎn)品或存在差異），如圖2所示換熱器阻力特性曲線。不同的域之間通過(guò)interface連接并傳遞能量，其他設(shè)置為壁面邊界條件。

1.4 網(wǎng)格生成和計(jì)算

本例基于RBM（region base mesh）的網(wǎng)格劃分方法，空調(diào)的開(kāi)度和出風(fēng)口出風(fēng)比例均由風(fēng)門控制，為了更準(zhǔn)確模擬空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，風(fēng)門按照實(shí)際裝配情況建立模型，不單獨(dú)簡(jiǎn)化。模型建立中由于風(fēng)門軸會(huì)穿透殼體，會(huì)產(chǎn)生大量pierced faces（default）的錯(cuò)誤，故結(jié)合使用包面方法（surface wrapper）和面網(wǎng)格重構(gòu)（surface remesh）功能將導(dǎo)入的初始網(wǎng)格處理成質(zhì)量更好的面網(wǎng)格，面網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響體網(wǎng)格的質(zhì)量，網(wǎng)格質(zhì)量的是保證計(jì)算精確度的重要指標(biāo)，體網(wǎng)格選用分別trimmer和prism layer mesher 網(wǎng)格類型。如圖3所示，體網(wǎng)格總數(shù)約310萬(wàn)。

2 汽車空調(diào)及風(fēng)道系統(tǒng)CFD分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 原方案分析結(jié)果

在設(shè)計(jì)初期試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)半模式下吹臉出風(fēng)口左右溫差16.5℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)及客戶標(biāo)準(zhǔn)（2℃），因其吹臉風(fēng)道結(jié)構(gòu)是左右分，將導(dǎo)致司機(jī)側(cè)和乘客側(cè)溫差太大，大大降低整車性能和舒適性。采用CD-adapco公司最先進(jìn)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù)開(kāi)發(fā)的CFD求解軟件STAR CCM+，對(duì)汽車空調(diào)內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，根據(jù)殘差、進(jìn)出口流量及熱平衡監(jiān)測(cè)計(jì)算結(jié)果，判斷計(jì)算結(jié)果是否收斂?？傻玫皆桨杆俣确植肌⒊隹跍囟?、各面的均勻性等設(shè)計(jì)參數(shù)。如表1和圖5所示。

由圖4空調(diào)內(nèi)部流場(chǎng)和吹臉出風(fēng)口溫度可知，因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因?qū)е聫恼舭l(fā)器中出來(lái)的冷風(fēng)和暖風(fēng)出來(lái)的熱風(fēng)均流向了吹臉出風(fēng)口的右側(cè)[5]，且冷風(fēng)速度高于熱風(fēng)速度致使吹臉出風(fēng)口右側(cè)溫度明顯高于左側(cè)，在整車裝配中將會(huì)使司機(jī)側(cè)和乘客側(cè)溫差相差較大。

2.2 優(yōu)化方案及分析結(jié)果

根據(jù)原方案的分析結(jié)果，綜合考慮整車平臺(tái)化設(shè)計(jì)的理念及零件共用開(kāi)發(fā)的策略，不更改空調(diào)在整車的位置及邊界條件，通過(guò)優(yōu)化吹臉風(fēng)門結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制導(dǎo)流使冷熱風(fēng)混合均勻，使冷熱風(fēng)在出風(fēng)口處混合，改善出風(fēng)口的速度均勻性及溫度分布，縮小司機(jī)座和乘客座的溫差，提升整車的舒適性。

1）優(yōu)化方案

如圖5所示，方案1和方案2在吹臉風(fēng)門上增加不同大小的導(dǎo)流板，試圖通過(guò)導(dǎo)流板將熱風(fēng)強(qiáng)制導(dǎo)向初戀風(fēng)口左側(cè)，方案3將導(dǎo)流板改成格柵狀，模擬數(shù)據(jù)如表2和圖6所示：

由上述分析結(jié)果可知，因出風(fēng)口設(shè)計(jì)及風(fēng)門擋板影響，方案1-3并沒(méi)有使左右兩側(cè)風(fēng)混合均勻，兩側(cè)溫差及均勻性均不滿足客戶要求。

2）最終方案

通過(guò)方案1～3的分析結(jié)果，綜合考慮模具制造的難易程度及加工成本，在吹臉風(fēng)門上增加導(dǎo)流。根據(jù)實(shí)際流體在HVAC內(nèi)的走向，經(jīng)過(guò)對(duì)導(dǎo)流管的開(kāi)口大小、導(dǎo)流管布置的多次模擬分析，最終方案如圖7所示：

分析結(jié)果如圖8和表3所示，通過(guò)在吹臉風(fēng)門上增加導(dǎo)流管，強(qiáng)制將暖風(fēng)出來(lái)的熱風(fēng)導(dǎo)向吹臉出風(fēng)口的左側(cè)，使冷熱風(fēng)在出風(fēng)口處混合，左右溫差由設(shè)計(jì)初期的16.5℃減少到1.2℃，滿足客戶及內(nèi)部2℃溫差的標(biāo)準(zhǔn)，吹臉出風(fēng)口的均勻性也有原來(lái)的50%增加到82%。

3）試驗(yàn)驗(yàn)證

如圖9所示空調(diào)性能驗(yàn)證試驗(yàn)由空調(diào)總成、風(fēng)量臺(tái)、模擬風(fēng)道、控制臺(tái)架及溫度傳感器等組成。為了準(zhǔn)確驗(yàn)證出風(fēng)口溫度，在出風(fēng)口四周中心位置按照標(biāo)準(zhǔn)分別布置傳感器，最終的出風(fēng)口溫度為四點(diǎn)采樣值的平均值。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，CFD分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本接近，因模擬中計(jì)算誤差及試驗(yàn)環(huán)境溫度濕度、樣件制作裝配過(guò)程產(chǎn)生誤差等原因，故CFD分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果存在少許偏差，但分析精度已達(dá)到公司標(biāo)準(zhǔn)95%的要求，并已得到客戶認(rèn)可。

3 結(jié)論

本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)汽車空調(diào)進(jìn)行了流場(chǎng)和溫度場(chǎng)模擬和優(yōu)化，在不改變空調(diào)殼體邊界的基礎(chǔ)上，在吹臉風(fēng)門出風(fēng)口上增加導(dǎo)流管及空調(diào)殼體局部?jī)?yōu)化，降低半模式下吹臉出風(fēng)口左右溫差，提高出風(fēng)口速度均勻性，對(duì)駕駛室內(nèi)部舒適性的研究具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)對(duì)于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)后期試驗(yàn)驗(yàn)證出現(xiàn)問(wèn)題，在不影響整體模具的基礎(chǔ)上，可以在小的零件上增加引風(fēng)管，或者擋板來(lái)解決實(shí)際中風(fēng)量分配、均勻性、噪音等問(wèn)題，為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)研究節(jié)省費(fèi)用和時(shí)間，為后期的研究提供了可行性方案和思路。

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