汽車空調(diào)箱內(nèi)空氣流動(dòng)的數(shù)值模擬研究

郭 瑩，李 鋼

● （上海德爾福汽車空調(diào)系統(tǒng)有限公司，上海 201204）

汽車空調(diào)箱內(nèi)空氣流動(dòng)的數(shù)值模擬研究

郭 瑩，李 鋼

● （上海德爾福汽車空調(diào)系統(tǒng)有限公司，上海 201204）

建立了汽車空調(diào)箱的數(shù)學(xué)模型，與換熱器的單體吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，采用多孔介質(zhì)模型計(jì)算了空氣在蒸發(fā)器與暖風(fēng)芯體間的壓力降。通過分析換熱器內(nèi)部速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，揭示了空氣在空調(diào)箱內(nèi)的流動(dòng)特性。結(jié)果表明：由于蒸發(fā)器迎風(fēng)面積較大，蒸發(fā)器側(cè)的壓力損失不高，而在暖風(fēng)芯體處，由于通道擴(kuò)張不充分，芯體處的速度場(chǎng)不均勻，流體在箱體邊緣發(fā)生了回流，降低了芯體的換熱效能。在出口處，存在較強(qiáng)渦流，是空調(diào)箱阻力的主要來源。

汽車空調(diào)箱；空氣流動(dòng)；數(shù)值模擬

通過設(shè)置模式風(fēng)門和溫度風(fēng)門的不同開度，送風(fēng)方式可以分為全冷、全熱、加熱冷卻并進(jìn)、除霧和除霜模式。在進(jìn)行制冷時(shí)，由于需要驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，空調(diào)的使用往往會(huì)影響汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，比如爬坡能力、加速性能和油耗，因而要求汽車空調(diào)具有較高的能效比(COP)。但由于冷凝器尺寸受到車身結(jié)構(gòu)限制，往往設(shè)計(jì)的較小，為了達(dá)到所需的制冷量，冷凝溫度較高，這就導(dǎo)致了汽車空調(diào)的

0 引言

隨著生活水平的提高，空調(diào)在乘用車上的重要性日益突出?？照{(diào)能調(diào)節(jié)車廂內(nèi)熱微環(huán)境的舒適性，保證車內(nèi)空氣的溫度、濕度、潔凈度、流速和氣動(dòng)噪聲在合理范圍內(nèi)，可以提高汽車乘坐的舒適性，對(duì)汽車的行駛安全性也有促進(jìn)作用。正因如此，汽車空調(diào)技術(shù)也成為了提高汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的重要手段。自1940年，Packard公司生產(chǎn)出第一臺(tái)裝有制冷機(jī)的轎車以來，空調(diào)在汽車上的安裝率迅速能耗比較低(只有家用空調(diào)的50%)[1]。

外部和內(nèi)循環(huán)空氣混合后進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)道的導(dǎo)流使吸入空氣依次通過鼓風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器和加熱器，最后通過送風(fēng)管道向車廂內(nèi)送風(fēng)。為了提高汽車空調(diào)的效能，需對(duì)空氣側(cè)的流體組織進(jìn)行優(yōu)化，在保證制冷效果的同時(shí)，降低空氣側(cè)的流動(dòng)阻力。由于結(jié)構(gòu)尺寸限制，并且經(jīng)過多個(gè)換熱器件，致使汽車空調(diào)箱內(nèi)部流動(dòng)和傳熱規(guī)律較為復(fù)雜。傳統(tǒng)的空調(diào)箱設(shè)計(jì)一般依靠簡(jiǎn)單的理論和實(shí)驗(yàn)分析確定，需要大量的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，新品研發(fā)周期長(zhǎng)，無法適應(yīng)目前激烈的汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。而計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)為優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)氣流組織提供了新的方法，在提高空調(diào)研發(fā)效率的同時(shí)，降低了研發(fā)成本。CFD 技術(shù)在 Delphi、Denso、Air International等汽車空調(diào)公司獲得了廣泛應(yīng)用，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

Marzy等對(duì)汽車暖風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬[2]， Williams等采用模擬技術(shù)獲得蒸發(fā)器總成(HVAC)內(nèi)的速度和靜壓參數(shù)[3]。吳金玉對(duì)HVAC內(nèi)部的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了模擬，分析了送風(fēng)量的影響[4]。賈傳林采用CFD技術(shù)模擬了對(duì)風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量分配進(jìn)行了分析[5]。

本文針對(duì)實(shí)體汽車空調(diào)箱建模，應(yīng)用數(shù)值方法模擬箱體內(nèi)的空氣流動(dòng)情況，對(duì)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等信息進(jìn)行分析，研究箱體結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為空調(diào)箱的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了研究基礎(chǔ)。

1 物理數(shù)學(xué)模型

1.1 空調(diào)箱模型

汽車空調(diào)箱殼體內(nèi)安裝有鼓風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、暖風(fēng)芯體、風(fēng)門等元件，如圖1所示。通過兩個(gè)風(fēng)門的位置，可以控制空調(diào)的運(yùn)行模式。

圖1 汽車空調(diào)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

空氣在箱體內(nèi)的流動(dòng)為三維湍流流動(dòng)過程，采用 k-ε模型，控制方程如下：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

k方程：

ε方程：

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為密度；μ為動(dòng)力粘度；cρ為比熱容；T為溫度；k-ε模型中 μt=cμρk2/ε，cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

蒸發(fā)器與加熱器均為緊湊式換熱器，換熱器尺寸及翅片結(jié)構(gòu)形式對(duì)空氣的流動(dòng)與換熱均存在重要的影響。由于計(jì)算效率和網(wǎng)格總數(shù)的限制，無法對(duì)換熱器具體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行建模。將這兩個(gè)換熱器作為多孔介質(zhì)進(jìn)行處理，多孔介質(zhì)的阻力系數(shù)由蒸發(fā)器和暖風(fēng)芯體實(shí)驗(yàn)獲得的壓降和流速的獲得[4]。如此在不降低計(jì)算效率的同時(shí)，保證了模擬的準(zhǔn)確性。

動(dòng)量方程的源項(xiàng)為：

式中，α為滲透率；1/α為阻力系數(shù)；C2為慣性阻力系數(shù)；蒸發(fā)器的阻力系數(shù)為：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，暖風(fēng)芯體的阻力系數(shù)為：

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

將圖1的模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，采用gambit軟件對(duì)流體通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)局部區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別采用六邊形和四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為3×106個(gè)，如圖2所示。

圖2 空氣通道網(wǎng)格劃分

對(duì)蝸殼段進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)入口速度、溫度均勻，風(fēng)量取244m3/h，流速約為v=9.2m/s，進(jìn)口溫度T=313K。殼體采用絕熱邊界條件，出口設(shè)為outflow條件。蒸發(fā)器的換熱量為4kW，暖風(fēng)芯體熱負(fù)荷為600W。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算獲得的速度矢量如圖3所示。

圖3 速度矢量圖

在蒸發(fā)器段由于迎風(fēng)面積較大，使經(jīng)過蒸發(fā)器的空氣流速較低，一定程度上降低了空氣側(cè)的換熱系數(shù)。但由于空氣流動(dòng)方向與蒸發(fā)器垂直，能降低空氣的流動(dòng)阻力。經(jīng)過蒸發(fā)器后，空氣流通面積降低，導(dǎo)致在暖風(fēng)芯體處，流速不均勻。

箱體內(nèi)流線如圖4所示，由于箱體邊緣速度較低，形成渦流，部分流體形成了回流，減小了暖風(fēng)芯體實(shí)際換熱面積，影響了暖風(fēng)芯體的換熱效能，這與風(fēng)道的扭曲程度有關(guān)，需對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，降低渦流產(chǎn)生的空間，也可節(jié)省安裝空間。

在箱體出口也出現(xiàn)了渦流，在該處由于空氣流速較高，渦流較強(qiáng)，將導(dǎo)致較大的壓力損失。同時(shí)，渦流也將產(chǎn)生氣動(dòng)噪音，影響車輛乘坐的舒適性。從圖可以發(fā)現(xiàn)，最大的阻力降出現(xiàn)在暖風(fēng)芯體與箱體的出口之間，因此需對(duì)該位置的風(fēng)道形狀進(jìn)行調(diào)整，減小渦流，降低阻力損失。

整體空調(diào)箱模擬的阻力損失為 785Pa，這與實(shí)驗(yàn)值(685Pa)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

圖4 箱體內(nèi)流線圖

3 結(jié)論

本文建立了汽車空調(diào)箱的數(shù)學(xué)模型，并采用數(shù)值技術(shù)對(duì)箱內(nèi)空氣的流動(dòng)進(jìn)行了模擬，得到如下結(jié)論：

1）多孔介質(zhì)模型能描述緊湊式換熱器的阻力性能，在對(duì)空調(diào)箱模擬時(shí)能保證計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)，降低網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率。

2）在暖風(fēng)芯體處存在回流，降低了芯體有效換熱面積，降低了芯體的傳熱效能。

3）在空調(diào)箱出口處存在較強(qiáng)渦流，是通道阻力降的主要來源，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

[1]于福義.現(xiàn)代汽車空調(diào)系統(tǒng)數(shù)值模擬仿真[D].重慶:重慶大學(xué), 2005.

[2]Roland Marzy, Josef Hager.Optimization of vehicle worm-up using simulation tools[J].SAE Paper, 2001,(1): 1705-1709.

[3]Jack William.Aerodynamic drag of engine-colling airflow with external interference[J].SAE Paper, 2002,(1): 512-516.

[4]吳金玉,陳江平.汽車空調(diào)蒸發(fā)器總成及風(fēng)道的數(shù)值研究[J].流體機(jī)械, 2008, 36(7): 59-62.

[5]賈傳林,歐陽新萍.汽車空調(diào)箱優(yōu)化設(shè)計(jì)及風(fēng)道風(fēng)量均勻性研究[C]//中國制冷學(xué)會(huì).學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.天津:中國制冷學(xué)會(huì), 2009: 530-535.

Numerical Simulation of Air Flow in Automotive Air Conditioning Box

GUO Ying，LI Gang
(Shanghai Delphi Automotive Air Conditioging Systems Co., Ltd., Shanghai 201204, China)

The mathematical model of automobile air conditioning box is established.Combined with a single blow experiment of heat exchanger, the pressure loss of the air between evaporator and heater cores is calculated by using the porous media model.Through analyzing the velocity field and pressure field inside the heat exchangers, the air flow characteristic in the air conditioner is revealed.The results show that the pressure loss of the evaporator is small because of bigger windward area of the evaporator.At the heater cores, its velocity field is non-uniform, because the channel expansion is not sufficient.Reflux occurs at the air conditioner edge, the heat transfer efficiency of the core is reduced.There is stronger vortex at the exit of the air conditioner.It is the main source of air conditioner’s pressure loss.

automotive air conditioning box; air flow; numerical simulation提高，目前中、小型車的空調(diào)安裝率已經(jīng)接近100%。

TB657

A

郭瑩（1982-），女，工程師。研究方向：汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)。