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      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

      2020-04-14 04:55:51蒙楊超俞曉勇羅穎
      企業(yè)科技與發(fā)展 2020年2期
      關鍵詞:汽車空調(diào)

      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).

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