陳邢希玥，聶春飛，盧祖秉

Chen Xingxiyue，Nie Chunfei，Lu Zubing

（東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心，廣東 廣州 510800）

汽車空調(diào)進(jìn)氣性能的CFD仿真及優(yōu)化

陳邢希玥，聶春飛，盧祖秉

Chen Xingxiyue，Nie Chunfei，Lu Zubing

（東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心，廣東 廣州 510800）

采用CFD方法對(duì)某車型的空調(diào)系統(tǒng)外循環(huán)進(jìn)氣工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同入口流量條件下水分離系統(tǒng)內(nèi)部氣流壓力損失。結(jié)果發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)方案空調(diào)進(jìn)風(fēng)效果差，不能滿足空調(diào)進(jìn)氣性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，影響空調(diào)整體性能。通過 CFD方法提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，模擬與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果高度貼合。優(yōu)化方案滿足了進(jìn)氣指標(biāo)，有效提高了空調(diào)整體性能。

空調(diào)進(jìn)氣性能；CFD方法；壓力損失；數(shù)值模擬

0 引 言

汽車空調(diào)是指對(duì)汽車車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置，是影響汽車舒適性和安全性的主要裝備之一[1]，為汽車提供制冷、取暖、通風(fēng)、除霜、除霧、空氣過濾和濕度控制等功能。它能始終保持車內(nèi)空氣的溫度、濕度、流速和清潔度在駕乘人員舒適的范圍內(nèi)，并預(yù)防或去除玻璃上的霧、霜和雪，保障駕乘人員的行車安全。

空調(diào)系統(tǒng)在外循環(huán)工況時(shí)，空調(diào)配氣系統(tǒng)需從雨刮槽進(jìn)風(fēng)口處獲取足夠新鮮的空氣[2]。作為進(jìn)氣的源頭，雨刮槽進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)氣流量和氣流流動(dòng)順暢性對(duì)空調(diào)能否獲取足夠的新鮮空氣有著決定性作用。當(dāng)空調(diào)進(jìn)風(fēng)能力不足時(shí)，空調(diào)性能下降，影響駕乘人員的舒適性。因此，為了保證空調(diào)具有充足的進(jìn)氣量，空調(diào)水分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。

運(yùn)用CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）仿真技術(shù)，對(duì)空調(diào)外循環(huán)工況下外界空氣經(jīng)過空調(diào)進(jìn)風(fēng)口流入鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣過程進(jìn)行分析，找到影響空調(diào)進(jìn)氣量和影響氣流順暢性的結(jié)構(gòu)因素。并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的壓力差，保障空調(diào)配氣系統(tǒng)能獲取足夠的進(jìn)氣量，最終保證空調(diào)的整體性能。

1 基本理論

空調(diào)進(jìn)氣過程是一個(gè)氣體流動(dòng)過程，屬于三維、定常、等溫、不可壓、粘性的湍流流動(dòng)，其控制方程為雷諾平均N-S方程[3]。所有的流體流動(dòng)均遵守物理守恒定律，包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

CFD仿真中，k-ε湍流模型是應(yīng)用最廣泛的經(jīng)典雙方程模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和修正的k-ε湍流模型在一般的應(yīng)用中差別不大[4]，選用標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。該模型包含2個(gè)未知量k和ε，對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為[5]

式中，Gk和Gb分別為平均速度梯度和浮力引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的影響；C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Sk和Sε為用戶定義的源項(xiàng)。

2 仿真分析

2.1 幾何模型

以某乘用車的水分離系統(tǒng)作為分析對(duì)象。幾何模型如圖 1所示。由雨刮槽擋風(fēng)板、與雨刮槽相連接的白車身、前雨刮、雨刮電機(jī)、引擎蓋上端、前風(fēng)擋玻璃下部、A柱下部和鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣前端組成。為保證流體網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算的效率，建立分析模型時(shí)進(jìn)行部分簡(jiǎn)化處理，忽略對(duì)空氣流動(dòng)影響較小的結(jié)構(gòu)。在不影響整車計(jì)算精度的前提下，將計(jì)算域處理為一個(gè)無縫隙的封閉幾何空間。

圖1 幾何模型圖

2.2 網(wǎng)格模型

在STAR-CCM+軟件中，設(shè)置基本域尺寸的最小尺寸為2 mm，最大尺寸為5 mm。并根據(jù)不同位置的結(jié)構(gòu)特征和對(duì)計(jì)算精度的影響進(jìn)行局部網(wǎng)格加密設(shè)置。網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，體網(wǎng)格總數(shù)量為600萬，如圖2所示。

圖2 體網(wǎng)格顯示圖

2.3 邊界條件

初始條件：環(huán)境壓力1.01×105Pa；環(huán)境溫度T=300 K；空氣密度ρ=1.184 12 kg/m3；空氣動(dòng)力粘度μ=1.855×10-5Pa.s；環(huán)境空氣速度為0 m/s。

在模擬計(jì)算中，鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口截面為入口，采用質(zhì)量流量入口為入口邊界條件，分別對(duì)入口流量為3 m3/min、4 m3/min、5 m3/min和6 m3/min的工況進(jìn)行模擬。雨刮槽進(jìn)風(fēng)口和排水口為出口，采用壓力出口為出口邊界條件，壓力出口數(shù)值為0 Pa。其他壁面為無滑移壁面邊界條件。

由于水分離系統(tǒng)內(nèi)氣流的速度較小，可視為不可壓縮流場(chǎng)，空氣的流動(dòng)為三維穩(wěn)態(tài)湍流，采取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

2.4 計(jì)算結(jié)果

由圖 3和圖 4可知，在入口質(zhì)量流量為 3 m3/min工況下，空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口大部分區(qū)域的氣流壓力較大，達(dá)到84.84 Pa，高于設(shè)計(jì)性能的目標(biāo)值59 Pa。入口質(zhì)量流量為4 m3/min工況下，壓力損失為150 Pa，遠(yuǎn)超目標(biāo)值77 Pa。過高的壓降會(huì)影響空調(diào)的進(jìn)風(fēng)，導(dǎo)致水分離系統(tǒng)內(nèi)部阻力增大，鼓風(fēng)機(jī)的性能降低，從而影響駕乘人員的舒適性。

圖3 鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口壓力云圖

3 優(yōu)化方案

為改善水分離系統(tǒng)內(nèi)的氣流流動(dòng)的順暢性和提高鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣量，以降低空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口氣流壓力值，需對(duì)水分離系統(tǒng)做局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)初始方案的流場(chǎng)進(jìn)行分析，采取以下優(yōu)化方案：

1）在靠近副駕側(cè)增加空調(diào)進(jìn)風(fēng)口，如圖 5所示；

2）增加雨刮槽中間鈑金件的開孔，如圖6所示。

優(yōu)化方案的壓降情況如圖7所示。對(duì)比可知，隨著空調(diào)進(jìn)風(fēng)口和雨刮槽中間鈑金件開孔的增加，空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的壓降明顯減小。在入口質(zhì)量流量為3 m3/min工況下，優(yōu)化方案的空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的氣流壓力損失為22.6 Pa，比原方案的壓降減少了62.1 Pa，降低了73.30%；在入口質(zhì)量流量為4 m3/min、5 m3/min和6 m3/min工況下，壓降分別降低了73.07%、73.36%和73.61%。優(yōu)化方案能有效降低鼓風(fēng)機(jī)入口的壓降，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 雨刮槽中間鈑金件結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

圖7 壓降直方圖

圖8～10顯示了初始方案和優(yōu)化方案在入口質(zhì)量流量為3 m3/min工況下空氣在水分離系統(tǒng)中的流動(dòng)特性。初始方案中，雨刮槽中間鈑金件的開孔靠近雨刮電機(jī)，氣流進(jìn)入雨刮槽后，雨刮電機(jī)阻礙了氣流的流動(dòng)，部分氣流與雨刮電機(jī)相互作用后流向開孔。在靠近鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的位置，隨著進(jìn)氣流道逐漸變窄，氣流速度逐漸變大，并在鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的前端形成漩渦，在鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處產(chǎn)生較大的壓力。優(yōu)化模型通過在雨刮槽中間鈑金件增加開孔，部分氣流從新增的開孔處通過后直接到達(dá)鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口，減少了與雨刮電機(jī)相互作用的氣流量，降低了靠近鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處的氣流速度，使氣流更順暢地通過該位置到達(dá)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，降低了鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處的壓力。

圖8 Z=760 mm截面速度矢量圖

圖9 鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口壓力云圖

圖10 雨刮電機(jī)的壓力云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)的工況為車輛靜止?fàn)顟B(tài)開啟外循環(huán)模式，測(cè)量在入口質(zhì)量流量為3 m3/min、4 m3/min、5 m3/min和6 m3/min條件下的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處的壓降，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖11所示，4種工況下，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果差值絕對(duì)值均小于1 Pa，二者高度貼合，且均優(yōu)于設(shè)計(jì)性能目標(biāo)。

圖11 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果壓降對(duì)比圖

5 結(jié) 論

運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)外循環(huán)工況進(jìn)行仿真，對(duì)空氣在水分離系統(tǒng)中的流動(dòng)特性進(jìn)行分析，優(yōu)化相應(yīng)的結(jié)構(gòu)得到鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處壓降減小的設(shè)計(jì)方案，壓降降低均在 73%以上，提高了空調(diào)的整體性能，效果明顯。

不同入口流量條件下的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者的差值絕對(duì)值均小于1 Pa，具有高度的貼合性，驗(yàn)證了CFD模型的合理性，說明CFD分析是一種有效可行的分析方法。

在開發(fā)過程中合理應(yīng)用CFD技術(shù)，能夠快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的局限性和盲目性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少后期試驗(yàn)和設(shè)計(jì)變更的成本，對(duì)汽車水分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

[1]劉占峰，宋力，趙丹平. 汽車空調(diào)[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2011.

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1002-4581（2017）01-0043-04

2016? 05? 18