基于CFD分析與實車測試結果相結合的汽車空調(diào)風道設計

蒙楊超 俞曉勇 羅穎

【摘 要】汽車空調(diào)風道是整車空調(diào)系統(tǒng)的組成部件之一，其送風性能的好壞直接影響乘客駕車的舒適性。為了提高風道送風性能，文章從影響風道系統(tǒng)的設計要素分析空調(diào)風道設計的具體要求和方法，并基于某車型空調(diào)風道設計結構的CFD模擬仿真分析結果及實車測試結果優(yōu)化前后的流場特性結合驗證，結果表明正確計算風道截面積及風向線，有助于降低空調(diào)風道空氣阻力，提高風道送風性能，該方法對今后汽車空調(diào)風道系統(tǒng)設計具有一定的參考價值。

【關鍵詞】汽車空調(diào);空調(diào)風道;CFD仿真分析;實車驗證

【中圖分類號】U463.851 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）02-0052-04

汽車空調(diào)風道是空調(diào)系統(tǒng)中不可或缺的部件之一，其目的在于創(chuàng)造車內(nèi)舒適的溫度環(huán)境，維持駕駛員和乘客的體表溫度，改善駕駛員的駕車條件，有助于提高汽車的安全性能。風道送風性能的好壞直接影響車內(nèi)的溫度場和速度場的均勻性，從而影響該車的舒適性能。因此，空調(diào)風道設計的合理性，將是未來評估車內(nèi)熱舒適性的一個重要指標。

1 空調(diào)風道設計要求

在汽車風道系統(tǒng)設計過程中，儀表臺風道承擔著輸送冷暖風、新風到指定位置的功能，同時確保氣流噪聲在可接受范圍內(nèi)，達到既滿足乘員熱舒適要求，又滿足強制法規(guī)要求，同時盡可能地做到結構簡單，制造方便，并與車內(nèi)周邊部件相協(xié)調(diào)。風道系統(tǒng)設計時，主要考慮如下兩個因素。

（1）整體布置：與周邊零件保持安全距離不干涉，保證風道走向平順。

（2）結構設計：{1}保證截面變化均勻，確保通過每個截面的氣流速度均勻不發(fā)生突變，減少回流、擾流，消除送風異音，改善氣流噪聲;{2}保證安裝點、卡接點結構設計合理，便于注塑或吹塑工藝的實現(xiàn);{3}導風段尺寸和指向滿足使用要求，確保氣流速度和指向角度符合設計指標。

1.1 風道風向線（出風方向）的設計要求[1]

風向線大致可分為兩類：除霜風向線（吹前擋風玻璃、主副駕側玻璃）、吹面風向線（吹到前后排乘客臉部附近）

1.1.1 除霜風向線

確定風向線之前需要先確定視野區(qū)：主視野區(qū)是主駕駛側的人視線不被物體阻擋，坐在主駕位置上，通過前擋風玻璃能清晰地看到車前物體的玻璃區(qū)域;側視野區(qū)是以主駕駛側人坐在主駕位置上，通過側窗玻璃看到左、右后視鏡的玻璃區(qū)域。

眼橢球及主視野區(qū)（A、B區(qū)）的確定可以參考國標GB 11555—2009，如圖1、圖2所示。

主副駕側玻璃視野區(qū)劃定方法：通過人體眼球點及后視鏡面積來確定兩側玻璃的視野區(qū)（如圖3所示）。

視野區(qū)劃定后，接下來繪制前擋風玻璃（前除霜風管）風向線：以A、A區(qū)底線連線中點拉一條平行于XZ平面且與玻璃面成30°的線，此線為前除霜風道出風方向?qū)Ь€，風向線劃定的正確性將決定除霜效果的好與壞（如圖4所示）。

兩側除霜風道風向線通過視野區(qū)域面積的1/3處位置往X向拉一條與側玻璃成30°的線即為風向線（沖擊線）（如圖5粗線所示）。

由于除霜風窗是固定葉片，因此設計階段需要嚴格按照要求進行，吹面風向主要由風窗葉片角度和尺寸來控制，吹面風道風向線初始沖擊位置要考慮吹到人體肩膀處為最佳（如圖6所示）。

風向線設計是決定整個風道系統(tǒng)精準送風到指定位置的關鍵設計要素，因此設計風道出口朝向時要嚴格按照既定的設計要求去執(zhí)行。確定完風向線后，接下來需要計算風道截面積大小，截面積大小是直接影響風量、風速、風阻的因素，也是本論文對比分析的重點之一。

1.2 截面積計算

1.2.1 風窗有效面積

不同類型的風窗其機構不同，風道內(nèi)有效面積的計算方法也不同，桶型風窗有效面積≈0.45×出風口外輪廓垂直投影面積，雙葉片型出風口有效面積≈0.6×出風口外輪廓垂直投影面積，由于桶狀式出風窗已經(jīng)很少使用，本文只針對葉片型風窗進行研究[2]。桶式風窗和雙葉片型風窗如圖7所示。

出風口的有效截面積即風管內(nèi)壁截面積，因此只要得出風管內(nèi)部截面積，就能通過公式推導出風窗的截面積（含葉片），有助于風窗結構設計。

1.2.2 風道截面積

S=CFM×1 000 000/V×3 600）（1）

公式（1）中：S為風道截面積，mm2;CFM為風量，m3/h;V為風速，m/s（風速范圍：一般取6～9 m/s，計算時可取經(jīng)驗值7.3 m/s）。

從公式可以看出，風速一定，風量根據(jù)各個口理論分配值確定后，通過公式即可得出風道內(nèi)壁截面積，截面積大小同時也反作用于風速大小，只有設計合理的截面積，才能得到適合出口大小的風速，才能達到吹風舒服的效果。

1.2.3 影響風量、風速的因素

本文研究的重點是風道截面積大小及風道風向線對風量、風速的直接影響，截面積越小風阻越大，風量就越小，但風速反之增大;風道結構平順、少折彎有利于減小風阻[3]。

風道內(nèi)的壓力損失可分為沿程壓力損失和局部壓力損失。

（1）沿程壓力損失是空氣沿管壁流動時，由空氣與管壁之間的摩擦及空氣分子內(nèi)部之間的摩擦而產(chǎn)生的?？諝庠诮孛娌蛔兊娘L道中流動且空氣量保持不變，沿程壓力損失可按公式（2）計算：

△P=λ（V2ρL）/（8RS）（2）

公式（2）中：λ為摩擦阻力系數(shù)，λ=64/Re;Re為雷諾系數(shù)，其值≤2 300;V為風道內(nèi)空氣的平均流速，m/s;ρ為空氣的體積質(zhì)量，kg/m3;L為風道的長度，m;Rs為風道的水力半徑，Rs=A/P，m;A為風道的過流截面面積，m2;P為風道的周長，m。

（2）局部壓力損失。由于氣流在風道中的突變，如風量、吹風方向或速度等突然變化，從而使得氣流在風道內(nèi)發(fā)生渦流或速度的重新分布，大大增加了風動阻力，由此造成的能量損失，稱為局部壓力損失。

△Pj可根據(jù)公式（3）來計算：

△Pj=ζρV2/2（3）

公式（3）中：ζ為局部阻力系數(shù)（取值根據(jù)風道截面氣流速度查閱相關的工程手冊）。

只有減少以上壓力損失，并控制在15%以內(nèi)，才能達到較好的送風效果，主要從以下3個方面考慮：{1}風道截面積不要產(chǎn)生突變，突變?nèi)菀桩a(chǎn)生渦流。{2}盡量減少彎道，空氣流過彎道時，氣流會因為風向突變而脫離管壁表面，使局部產(chǎn)生真空現(xiàn)象，氣流在局部區(qū)域產(chǎn)生回旋，易產(chǎn)生噪音。{3}風道出風口截面積要合理，風口減小，有利于提高風速，有助于乘客吹風感受的改善。

2 結構設計及仿真分析

（1）設計風道主要考慮截面積大小與風向線方向，綜合以上原則，布置吹面風道如圖8所示。我們保證各出風口截面積接近，風向線滿足計算要求，設定4個風口按100%風量均分，每個風口分到25%的風量進行第一次CFD分析（如圖9所示），結果見表1。

第一版CFD模擬分析結果中可以看出右側分配到的風量較多，不滿足目標要求，因此需按比例調(diào)整右側風道截面積減小，修改部位如圖10所示，并進行第二輪CFD模擬分析，結果見表2。

第二版分析結果在誤差范圍內(nèi)基本滿足目標要求，理論分析已完成，接下來為了驗證結果的準確性，需制作出樣件（如圖11所示），并在實車裝配完成后進行測試，測試結果見表3。

對比實車測試結果后可以看出，實車結果在誤差范圍內(nèi)與CFD模擬分析結果相差不大，基本滿足要求。

小結：截面積大小對風量分配起著至關重要的作用，理論分析需結合CFD分析與實車測試結果進行驗證確認，只有三者符合要求，才能算成功完成設計風道。

（2）接下來分析除霜風道，在空調(diào)箱能力確定的情況下，除霜風道對除去前擋風玻璃的水汽和冰起著決定性作用，因此設計時要特別注意風向線嚴格滿足要求。

根據(jù)之前設計要求布置好除霜風道結構，并進行第一版CFD模擬分析。

從圖12至圖16可以看出：由于吹風風向線過低，沖擊點位置偏低，所以除霜效果在1.5 m/s下無法滿足視野區(qū)的除霜要求，需進行調(diào)整。

更改前除霜風道與左右除霜風道出口結構，調(diào)整風向線方向，如圖17至圖19所示，并進行第二版CFD模擬分析。

從CFD模擬分析結果可以看出，優(yōu)化風道沖擊線和沖擊點后，除霜效果得到較大提升，其中視野區(qū)90%以上被除干凈，因此風道風向線的方向很大程度上決定了除霜結果的好與壞。

接下來結合實車對比除霜結果（如圖20所示）。

實車除霜結果與CFD模擬分析結果大致相同，驗證了理論設計結合實際的重要性。

3 結論

（1）風道系統(tǒng)設計時，應盡量避免風道彎折、截面積大小不均等因素，減少風阻，合理布置結構。

（2）嚴格按照理論分析進行前期設計，在CFD模擬分析階段需反復調(diào)整至要求狀態(tài)，最后與實際相結合，只有這樣，才能更加有效地檢驗風道風向線及風量分配，以及除霜效果是否合理。

（3）風道作為空調(diào)系統(tǒng)中氣流最后一道輸送路徑，對空調(diào)系統(tǒng)性能能否發(fā)揮到最好起到關鍵作用。

參 考 文 獻

[1]蘭柯.基于CFD的汽車空調(diào)風道設計及其對除霜效率的影響分析[D].沈陽：東北大學，2012.

[2]周滋鋒.汽車空調(diào)出風口校核設計指導手冊[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2007.

[3]賀賽.汽車空調(diào)風道的優(yōu)化設計[J].汽車工程師，2012（10）.