基于STAR-CCM+的汽車空調(diào)風(fēng)管設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

汽車空調(diào)作為汽車內(nèi)部不可缺少的系統(tǒng)之一已經(jīng)越來越受到各大整車企業(yè)的重視，汽車空調(diào)的性能好壞主要取決于空調(diào)系統(tǒng)本身的匹配，但是如果空調(diào)本體的HVAC 和空調(diào)風(fēng)管設(shè)計(jì)不合格，從某種程度上也會(huì)制約空調(diào)性能的充分發(fā)揮。反之，一旦空調(diào)風(fēng)管設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，那么空調(diào)系統(tǒng)的舒適度將會(huì)得到極大的提升和改善。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的相關(guān)仿真計(jì)算原理在汽車上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，它可以部分取代物理試驗(yàn)，在計(jì)算機(jī)上模擬試驗(yàn)過程，極大地減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)[1]。

本文應(yīng)用三維流體軟件STAR-CCM+，分析空調(diào)系統(tǒng)吹面模式下，乘員艙4 個(gè)出風(fēng)口的配氣比，找出配氣比不均勻的原因，并對空調(diào)風(fēng)管進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，最后通過3D 打印生成優(yōu)化后的風(fēng)管模型進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的精度和優(yōu)化后的效果，達(dá)到了空調(diào)風(fēng)管的設(shè)計(jì)要求。

1 空調(diào)風(fēng)管模型

圖1 所示為空調(diào)風(fēng)管的完整物理模型，為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，對于空調(diào)風(fēng)管的主要特征結(jié)構(gòu)都給予了保留?？照{(diào)風(fēng)管總成是由HVAC 和4 個(gè)風(fēng)管組成，HVAC 里包含空氣濾清器、蒸發(fā)器等濾芯，4 個(gè)風(fēng)管分別對應(yīng)乘員艙內(nèi)部左側(cè)風(fēng)管，中間兩個(gè)風(fēng)管和右側(cè)風(fēng)管，計(jì)算結(jié)果證明，這樣的風(fēng)管模型對于計(jì)算精度提升很大。

圖1 空調(diào)風(fēng)管模型

2 數(shù)學(xué)計(jì)算模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

本次計(jì)算是基于流體力學(xué)的控制方程解析，因此需要數(shù)值求解關(guān)于流體的三類方程，分別是質(zhì)量守恒方程，動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，針對空調(diào)風(fēng)管的計(jì)算分析可以對仿真模型做如下假設(shè)[2]：

1）流場中的空氣為不可壓縮氣體，即空氣密度為常數(shù)；

2）流場中的湍流形式為雷諾平均湍流；

3）不考慮空氣重力的影響；

4）HVAC 入口為均勻的流量入口，出口為壓力出口。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算方法在空調(diào)風(fēng)管流場中的特點(diǎn)，湍流模型采用k-ε 三維湍流中的二方程模型，把質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程、k 方程、ε 方程表示成通式為

式中：φ 為通用變量，Γ 和S 是與φ 相對應(yīng)的廣義擴(kuò)散系統(tǒng)及廣義源項(xiàng)，ν 為速度矢量，ρ 為空氣密度。當(dāng)φ 取不同的物理量時(shí)，式（1）中對應(yīng)不同的控制方程，其對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 φ 的取值與對應(yīng)的值

表1 中：u、v、w 為x、y、z 三個(gè)方向上的速度，T為溫度，k 為湍流動(dòng)能，ε 為湍流動(dòng)能耗散率，μ 為粘性系數(shù)，μt為湍流粘性系數(shù)，G 為湍流應(yīng)力，Cμ、C1、C2、Γk、σε、σT、σk均為常數(shù)，Z 為z 方向坐標(biāo)，Pr為普朗特?cái)?shù)，Su、Sv、Sw分別為x、y、z 三個(gè)方向上的源項(xiàng)。μt和G 分別滿足以下關(guān)系式

各常數(shù)取值如下：Cμ=0.09，σT=0.95，σk=1.0，C1=1.44，C2=1.92，σε=1.3，g 為重力加速度，所有的外面：u=v=w=0。

空調(diào)風(fēng)管計(jì)算域采用多面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)56×104。

2.2 邊界條件

由于本次計(jì)算分析考察的是定常流動(dòng)，因此設(shè)定空調(diào)系統(tǒng)HVAC 進(jìn)口風(fēng)量為500 kg/h，出風(fēng)口設(shè)定背壓為0。

3 空調(diào)風(fēng)管優(yōu)化分析

3.1 初始空調(diào)風(fēng)管計(jì)算

為了滿足計(jì)算的最高精度以及之后優(yōu)化的最好效果，本文采用的模型為包含HVAC 和出風(fēng)口格柵的模型[3]，如圖2～4 所示。

圖2 空調(diào)風(fēng)管模型1

圖3 空調(diào)風(fēng)管模型2

圖4 空調(diào)風(fēng)管模型3

在空調(diào)風(fēng)管的設(shè)計(jì)、優(yōu)化中，最為重要的指標(biāo)是吹面風(fēng)管4 個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量比例，通常叫做配氣比，滿足4 個(gè)出風(fēng)口的配氣比25%±5%，那么這樣的空調(diào)風(fēng)管設(shè)計(jì)認(rèn)為是合格的。對空調(diào)風(fēng)管模型3 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出4 個(gè)出風(fēng)口的配氣比為36.2%、23.8%、19.5%、20.5%。顯然，此出風(fēng)口的配氣比不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要對風(fēng)管模型進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 空調(diào)風(fēng)管優(yōu)化方案

得出初始模型的計(jì)算結(jié)果之后，對空調(diào)風(fēng)管的各個(gè)部分進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的主要對象為風(fēng)管的造型結(jié)構(gòu)，由于風(fēng)管的安裝位置在儀表板以下前圍之后，因此它的結(jié)構(gòu)受到諸多條件的約束，能優(yōu)化的部分不多，本輪優(yōu)化從中選取幾處展開，如圖5 所示。

圖5 空調(diào)風(fēng)管優(yōu)化

3.3 空調(diào)風(fēng)管優(yōu)化對比分析

通過上述幾處風(fēng)管的優(yōu)化，組合出3 組優(yōu)化風(fēng)管模型，加上初始風(fēng)管共4 組模型，分別編號(hào)為case1、case2、case3 和case4，對這4 組方案分別計(jì)算分析。

給定HVAC 進(jìn)風(fēng)口空氣流量為500kg/h，分別計(jì)算出這4 種方案4 個(gè)出風(fēng)口的配氣比，并對照配氣比設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，如圖6 所示。

圖6 不同模型配氣比分析

從計(jì)算結(jié)果來看，case4 的配氣比滿足了25%±5%的指標(biāo)要求，它是幾組模型中最優(yōu)的一個(gè)方案。

4 優(yōu)化風(fēng)管試驗(yàn)對比分析

通過上述的計(jì)算分析，得出case4 滿足了配氣比的技術(shù)指標(biāo)，但這僅僅是計(jì)算分析的結(jié)果，還需要在試驗(yàn)中給予驗(yàn)證，因此對于case4 的風(fēng)管制作了快速原型件，通過風(fēng)道測試試驗(yàn)臺(tái)對空調(diào)風(fēng)管4 個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對比 %

從表中可以看出，計(jì)算分析的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在7%左右，計(jì)算分析結(jié)果可以用于空調(diào)風(fēng)管的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

5 結(jié)論

本文利用計(jì)算流體力學(xué)基本理論，借助三維流體仿真軟件STAR-CCM+，完成了汽車空調(diào)風(fēng)管的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過制作模型樣件，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算仿真的精度，證實(shí)了本仿真模型完全可以用于空調(diào)風(fēng)管的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。