汽車(chē)空調(diào)吹腳風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進(jìn)及對(duì)駕駛員舒適度影響分析

溫敏，任平

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

隨著汽車(chē)的應(yīng)用普及和汽車(chē)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)的駕乘體驗(yàn)要求也越來(lái)越高。相應(yīng)的，汽車(chē)制造商從對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品的耐久可靠性和安全性等傳統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的單一追求逐步向駕乘舒適性、智能網(wǎng)聯(lián)等新技術(shù)指標(biāo)與傳統(tǒng)指標(biāo)相結(jié)合轉(zhuǎn)移，本文所述的空調(diào)取暖性能已成為舒適度評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。

本文以某款車(chē)型吹腳風(fēng)道設(shè)計(jì)為例，利用CFD 軟件和假人模型，對(duì)汽車(chē)空調(diào)吹腳風(fēng)道的風(fēng)速、風(fēng)量，及駕駛員腳部感知的壓力分布進(jìn)行合理化分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1 吹腳風(fēng)道概述

吹腳風(fēng)道作為空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道重要組成部分，以往行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)關(guān)注較少，易造成駕乘人員左右腳感知溫度不均、風(fēng)量分配不合理[1]。在中國(guó)北方地區(qū)冬季時(shí)，車(chē)外溫度甚至低至-40℃，易造成腳部區(qū)域“凍腳”/“左右腳冰火兩重天”等主觀(guān)感受，吹腳風(fēng)道取暖設(shè)計(jì)的合理性凸顯得尤為重要。

吹腳的風(fēng)道布置通常分為不帶后排吹腳/帶后排吹腳兩個(gè)方式，如圖1 所示，取決于該車(chē)型的平臺(tái)定位和成本定位。有多個(gè)風(fēng)道和風(fēng)口時(shí)，截面積按照一定的比例進(jìn)行分配，不同的汽車(chē)廠(chǎng)家有不同的分配標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 空調(diào)吹腳風(fēng)道和風(fēng)口的常見(jiàn)布置

前排吹腳風(fēng)道因布置空間受限，風(fēng)道通常是集成在空調(diào)主機(jī)上，后排則通過(guò)一段較長(zhǎng)的風(fēng)道集成在地板上，到達(dá)后排乘客腳部區(qū)。風(fēng)道在設(shè)計(jì)中要注意幾項(xiàng)基本的設(shè)計(jì)原則，如風(fēng)道截面避免突變、出風(fēng)口風(fēng)速均勻等。

本文研究的車(chē)型空調(diào)吹腳為帶后排吹腳設(shè)置，如圖2 所示，前排后排各兩個(gè)出風(fēng)口，此次考察駕駛員舒適性，對(duì)駕駛員側(cè)風(fēng)道進(jìn)行重點(diǎn)分析研究。因空調(diào)主機(jī)與前排風(fēng)口相對(duì)距離較近，周邊布局緊湊，故駕駛側(cè)吹腳風(fēng)口布置在駕駛員右腳的右側(cè)，集成在副儀表臺(tái)上。吹腳風(fēng)口呈梯形，設(shè)計(jì)高度70mm，寬度27-49mm 漸變，一段長(zhǎng)22.5mm 的格柵段連接空調(diào)主機(jī)出口和吹腳風(fēng)口，5 片格柵間距10mm。如圖3 所示。本文從舒適性角度分析駕駛員側(cè)取暖風(fēng)道設(shè)計(jì)的合理性。

圖2 本車(chē)型吹腳風(fēng)口的布置示意圖

圖3 本車(chē)型駕駛員側(cè)吹腳風(fēng)道的設(shè)計(jì)尺寸圖

2 計(jì)算流程

圖4 計(jì)算流程圖

計(jì)算流程包括設(shè)計(jì)數(shù)模處理、網(wǎng)格劃分、建立CFD 有限元模型、定義邊界參數(shù)、求解分析、方案改進(jìn)再建模分析直至性能達(dá)標(biāo)。

3 CFD 分析

3.1 模型的建立和邊界的定義

本分析所述的設(shè)計(jì)模型包括空調(diào)主機(jī)（HVAC）、吹腳風(fēng)道、封閉乘員艙（95%的模擬假人、座椅、方向盤(pán)、儀表臺(tái)、副儀表臺(tái)、ABC 柱、風(fēng)窗等）。

在前處理軟件Hyper-mesh 中對(duì)以上所述的數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格劃分后進(jìn)入Star-ccm+軟件中進(jìn)行分析。諸多理論研究表明，空氣在空調(diào)風(fēng)道里的流動(dòng)適宜于采用不可壓縮流體的k-ε模型描述。假設(shè)整個(gè)流體是穩(wěn)態(tài)湍流，不考慮流體重力，忽視分子間的粘性[5]。表1 為模型中的物理特性設(shè)置。

表1 模型中的物理特性設(shè)置

3.2 分析結(jié)果

分析用的假人模型模擬行駛中駕駛員坐姿，左腳放在擱腳踏板上，右腳放在加速踏板上。

經(jīng)分析，駕駛員側(cè)氣流避開(kāi)了駕駛員腳部，只有左腳有少許氣流流過(guò)，氣流吹到了駕駛員左邊的門(mén)板上，左右腳流線(xiàn)分布和風(fēng)速不均衡，主觀(guān)感受“凍腳”/“左右腳冰火兩重天”。

圖4 駕駛員左右腳風(fēng)速云圖和流線(xiàn)圖

4 改進(jìn)建議與對(duì)比分析

圖5 駕駛員側(cè)吹腳風(fēng)道改進(jìn)尺寸圖

為了讓氣流兼顧左右腳不同的位置，修改原風(fēng)道內(nèi)的格柵段設(shè)計(jì)，圖5 給出了詳細(xì)的改進(jìn)方法。對(duì)比圖3 看出，風(fēng)道開(kāi)口還是成梯形設(shè)計(jì)，尺寸和位置不變，將風(fēng)道內(nèi)的格柵段由22.5mm 加長(zhǎng)至26mm，將原設(shè)計(jì)的水平格柵調(diào)整為上三片13°，下兩片22°，共計(jì)5 片格柵，間距10mm。

圖6 改進(jìn)后駕駛員左右腳風(fēng)速云圖和流線(xiàn)圖

圖7 駕駛員腳部風(fēng)速和壓力對(duì)比圖

表2 改進(jìn)前后左右腳平均風(fēng)速

對(duì)改進(jìn)前后設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析，改進(jìn)后駕駛員左右腳都有氣流直接吹上，且左右腳平均風(fēng)速增加，主觀(guān)感受腳部取暖效果明顯提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用CFD 軟件和假人模型，對(duì)駕駛員腳部感知的風(fēng)速壓力和氣流流線(xiàn)分布進(jìn)行分析，指出原設(shè)計(jì)的不合理處，并對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)。通過(guò)結(jié)果對(duì)比，改進(jìn)后駕駛員左右腳部風(fēng)速明顯提高，氣流走向更合理，提高了駕駛舒適度，為汽車(chē)空調(diào)吹腳風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。