基于STAR-CCM+的整車空調(diào)系統(tǒng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬分析

譚禮斌， 袁越錦， 黃 燦， 余千英

(1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 西安 710021； 2.隆鑫通用動(dòng)力股份有限公司技術(shù)中心， 重慶 400039)

空調(diào)系統(tǒng)作為整車重要系統(tǒng)之一，其主要功能是實(shí)現(xiàn)車廂內(nèi)空氣的制冷、加熱和空氣凈化循環(huán)等，其性能的好壞直接影響整車的乘員艙舒適性及駕駛安全性[1-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)分析方法對(duì)整車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化已成為整車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[5-6]。由于空間布置的限制，空調(diào)系統(tǒng)各工作模式下風(fēng)道設(shè)計(jì)及附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的部分，且傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)多基于試驗(yàn)來(lái)反復(fù)調(diào)試驗(yàn)證獲得設(shè)計(jì)方案，造成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，嚴(yán)重影響了項(xiàng)目進(jìn)度[7-8]。基于CFD流場(chǎng)分析方法則可快速預(yù)測(cè)空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行工況下的風(fēng)量分配及速度分布等信息，為產(chǎn)品前期的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供仿真數(shù)據(jù)支撐及理論指導(dǎo)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。目前常用的CFD分析求解軟件有ANSYS CFD、STAR-CCM+、Comsol Multiphysics等。其中，STAR-CCM+因其高度集成性及獨(dú)特的網(wǎng)格劃分技術(shù)而在整車行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用[9-12]。

以某整車空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，采用CFD仿真分析軟件STAR-CCM+11.06對(duì)空調(diào)系統(tǒng)除霜除霧及吹面工作狀態(tài)下的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取風(fēng)量分布及速度分布等流場(chǎng)信息，依據(jù)流場(chǎng)分析結(jié)果針對(duì)性地提出優(yōu)化方案，改善風(fēng)量分配及速度均勻性，提升產(chǎn)品性能。該研究成果可為整車空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論數(shù)據(jù)支撐。

1 物理模型

某整車空調(diào)系統(tǒng)模型如圖1所示。采用CATIA 2014軟件等比例繪制。除霜除霧和吹面CFD分析模型唯一區(qū)別為圖1中紅色區(qū)域和綠色區(qū)域，紅色區(qū)域的區(qū)別為當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行不同功能時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同，綠色區(qū)域的區(qū)別為隔板位置。整車空調(diào)系統(tǒng)在吹面狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，要求各吹面出風(fēng)口占總風(fēng)量占比基本一致，各風(fēng)道內(nèi)基本無(wú)流動(dòng)死區(qū)，壓降及流速分布基本一致，各風(fēng)道流速均勻性大于0.7，中間風(fēng)道出風(fēng)口應(yīng)吹到駕駛員和副駕上半身，兩側(cè)出風(fēng)口應(yīng)吹到駕駛和副駕駛員全身，確保乘員艙舒適性效果；整車空調(diào)系統(tǒng)在除霜除霧狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，要求無(wú)速度死區(qū)、壓降及風(fēng)速分布均勻，且均勻性大于0.7，中間出風(fēng)口風(fēng)量占總風(fēng)量的80%以上，左右出風(fēng)口風(fēng)量均勻分配；對(duì)前擋玻璃及側(cè)窗除霜除霧性能的規(guī)定參照《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》(GB/T 11555—2009)，該國(guó)標(biāo)中定義了前擋玻璃A區(qū)、A1區(qū)、B區(qū)(圖2)、側(cè)窗駕駛員視野區(qū)，A區(qū)、A1區(qū)、B區(qū)、側(cè)窗駕駛員視野區(qū)的速度分布要求為：A區(qū)、A1區(qū)兩區(qū)域各區(qū)域70%以上面積的速度需大于1.5 m/s，B區(qū)和側(cè)窗駕駛員視野區(qū)2個(gè)區(qū)域70%以上面積的速度需大于1 m/s。選取STAR-CCM+中多面體網(wǎng)格技術(shù)和邊界層網(wǎng)格技術(shù)對(duì)整車空調(diào)系統(tǒng)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸為8 mm，最小網(wǎng)格尺寸為1.2 mm，邊界層層數(shù)為5層，邊界層厚度為0.8 mm，劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為1.5×107。經(jīng)網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性測(cè)試，該網(wǎng)格數(shù)量可較好地預(yù)測(cè)該整車空調(diào)系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下各風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量及速度分配情況。

圖1 某整車空調(diào)系統(tǒng)三維示意Fig.1 3-D model of vehicle air conditioning system

圖2 A區(qū)、A1區(qū)和B區(qū)的定義Fig.2 Definition of area A, A1 and B

2 數(shù)學(xué)模型

選用STAR-CCM+11.06中Realizablek-ε湍流模型(k表示湍動(dòng)能，ε表示耗散率)進(jìn)行整車空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[13]?？照{(diào)系統(tǒng)CFD模擬中假設(shè)流體為不可壓縮的理想氣體模型，且不考慮溫度，數(shù)值求解過(guò)程僅需要求解流體連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。STAR-CCM+模擬分析就是求解相應(yīng)的控制方程，計(jì)算完成即可獲得相應(yīng)的流場(chǎng)模擬信息。流體流動(dòng)通用控制方程一般表示為[13]

(1)

式(1)中：ρ為流體密度，kg/m3；u為流體速度，m/s；t為時(shí)間，s；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)；φ為變量；當(dāng)φ取不同變量時(shí)即可獲得對(duì)應(yīng)的連續(xù)性方程、N-S(Navier-Stokes)方程及能量方程[14]。

3 模型求解

風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域的旋轉(zhuǎn)功能采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)參考系(moving reference frame，MRF)方法實(shí)現(xiàn)，空調(diào)系統(tǒng)在吹面狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)吹面檔位及轉(zhuǎn)速設(shè)置為3擋、4 079 r/min；空調(diào)系統(tǒng)在除霜除霧狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)除霜檔位及轉(zhuǎn)速為3擋、4 232 r/min。流體介質(zhì)屬性為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的25 ℃空氣。整車空調(diào)系統(tǒng)為內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，因此無(wú)進(jìn)出口邊界，壁面邊界采用無(wú)滑移壁面邊界條件，計(jì)算域壁面函數(shù)采用STAR-CCM+推薦的Two Layer All Y+Wall Treatment模型。蒸發(fā)器和輔助加熱器PTC(positive temperature coefficient)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，翅片非常薄無(wú)法劃分網(wǎng)格，因此將蒸發(fā)器和PTC簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型。依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的流量壓降數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可以計(jì)算出各多孔介質(zhì)區(qū)域的阻力特性。蒸發(fā)器的慣性阻尼和黏性阻尼分別為52.86 kg/m4、649.68 kg/(m3·s)，PTC輔助加熱器的慣性阻尼和黏性阻尼分別為40.93 kg/m4、269.01 kg/(m3·s)。STAR-CCM+流體計(jì)算軟件計(jì)算運(yùn)行時(shí)，通過(guò)自動(dòng)耦合求解連續(xù)性方程、N-S方程及k-ε兩方程湍流模型方程等數(shù)學(xué)模型方程，迭代計(jì)算完成后即可獲得需要監(jiān)測(cè)的物理量數(shù)值。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 速度分布

圖3為整車空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)氣流流動(dòng)速度矢量圖。由圖3可知，兩種狀態(tài)下整體流動(dòng)比較順暢，基本不存在回流，但在風(fēng)機(jī)出口與蒸發(fā)器之間的區(qū)域都存在的較小漩渦。圖4為各風(fēng)道出風(fēng)口速度云圖。除霜除霧風(fēng)道速度分布較均勻，中間出風(fēng)口分量占比為79.3%，左右兩出風(fēng)口風(fēng)量占比分別為10.2%、10.5%。吹面狀態(tài)下，左右吹面出風(fēng)口速度均勻度較好，中間兩個(gè)出風(fēng)口速度分布不均勻，且存在小區(qū)域的速度死區(qū)，中左吹面出風(fēng)口風(fēng)量占比為22.3%，中右吹面出風(fēng)口風(fēng)量占比約為28.3%，吹面風(fēng)道風(fēng)量分配比例不均，影響氣流均勻性。

圖3 氣流流動(dòng)速度矢量圖Fig.3 Air flow velocity vector diagram

圖4 各風(fēng)道出風(fēng)口速度云圖Fig.4 Velocity distributions of air ducts

圖5為整車前擋風(fēng)玻璃表面速度大于1.5 m/s分布云圖。A1區(qū)中速度分布較均勻，速度大于1.5 m/s 的面積已超過(guò)80%，A區(qū)中速度分布不均勻，且速度大于1.5 m/s區(qū)域占比較小，需要對(duì)風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化改善該區(qū)域速度的分布。圖6為側(cè)窗玻璃速度分布云圖。從圖6中可以看出，左右兩側(cè)側(cè)窗在駕駛員視野區(qū)內(nèi)的速度大小和分布不好，有優(yōu)化的空間。圖7為吹面狀態(tài)下截面速度矢量圖，截面1是為了查看各出風(fēng)口出風(fēng)分布情況，截面2是為了查看出風(fēng)口出風(fēng)對(duì)后排乘客吹風(fēng)效果。由圖7可知，吹面各出風(fēng)口出風(fēng)幾乎不相互影響，由于中右出風(fēng)口的風(fēng)量最大，其流場(chǎng)分布最好。中右吹面出風(fēng)口吹出的風(fēng)能達(dá)到后排乘客車頂處，能保證后排乘客的舒適性。

圖5 前擋風(fēng)玻璃速度大于1.5 m/s的分布云圖Fig.5 Distribution nephogram of front wind-shield with velocity greater than 1.5 m/s

圖6 側(cè)窗玻璃速度分布Fig.6 Velocity distribution of side window glass

圖7 吹面狀態(tài)下截面速度矢量云圖Fig.7 Velocity vector map of plane section at blowing mode

4.2 空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化分析

由空調(diào)系統(tǒng)速度場(chǎng)分析結(jié)果可知，前擋玻璃A區(qū)、左右兩側(cè)窗的速度分布不能滿足要求；中吹面風(fēng)道的風(fēng)速分布、風(fēng)量分布、出風(fēng)口速度均勻度略差。因此需對(duì)除霜除霧中風(fēng)道導(dǎo)流、兩側(cè)出風(fēng)口導(dǎo)流進(jìn)行優(yōu)化以使前擋和側(cè)窗玻璃速度分布更加均勻，需對(duì)中吹面風(fēng)道風(fēng)量分配進(jìn)行優(yōu)化，以使乘員艙氣流更加均勻。經(jīng)過(guò)多輪優(yōu)化計(jì)算，得到圖8所示的結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖。具體改動(dòng)為：中間隔板位置、格柵在出風(fēng)方向上的導(dǎo)流長(zhǎng)度增加5 mm、連接處平滑過(guò)渡處理，增大吹面中左風(fēng)道面積(向左移動(dòng)6 mm)。

圖8 空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進(jìn)Fig.8 Structure improvement of air duct for air-conditioning system

圖9 風(fēng)道優(yōu)化前后流場(chǎng)結(jié)果對(duì)比Fig.9 Flow field comparison before and after optimization of air duct

圖9為優(yōu)化前后的速度及壓力場(chǎng)對(duì)比(標(biāo)尺一致)。優(yōu)化前后，除霜除霧狀態(tài)下風(fēng)道風(fēng)量分布、表面速度分布、靜壓分布、各出風(fēng)口速度分布等均差異不大。優(yōu)化后左右兩出風(fēng)口風(fēng)量占比分別為9.9%、9.8%，中間出風(fēng)口風(fēng)量占比為80.3%，滿足風(fēng)量左右風(fēng)量分配均勻，中間風(fēng)道風(fēng)量占比80%以上的設(shè)計(jì)要求。

圖10、圖11為優(yōu)化前后的前擋風(fēng)玻璃表面速度分布和側(cè)窗玻璃表面速度分布。優(yōu)化后，各區(qū)域的速度分布更加均勻，A區(qū)域大于1.5 m/s的面積明顯增多，但A1區(qū)的分布比初始結(jié)構(gòu)略差，但總體來(lái)說(shuō)，優(yōu)化效果明顯，速度超過(guò)1.5 m/s的區(qū)域面積已達(dá)72%左右。優(yōu)化后左右兩側(cè)側(cè)窗玻璃的表面速度均優(yōu)于初始結(jié)構(gòu)。

圖10 優(yōu)化前后前擋風(fēng)玻璃表面速度對(duì)比Fig.10 Comparison of the front and rear windshield surface speed before and after optimization

圖11 優(yōu)化前后側(cè)窗玻璃速度分布對(duì)比Fig.11 Comparison of velocity distribution of side window glass before and after optimization

圖12 吹面風(fēng)道出風(fēng)口速度對(duì)比Fig.12 Comparison of outlet velocity distribution of air ducts

圖13 優(yōu)化前后截面速度分布對(duì)比Fig.13 Comparison of section velocity distribution before and after optimization

圖12、圖13為優(yōu)化前后吹面出風(fēng)口速度分布。優(yōu)化前后左右兩側(cè)出風(fēng)口速度分布差異不大，中間出風(fēng)口速度分布得到明顯改善，優(yōu)化后，中左出風(fēng)口風(fēng)量占比約為25.8%，中右出風(fēng)口風(fēng)量占比約為25.6%，風(fēng)道風(fēng)量分配較均勻?？傮w來(lái)說(shuō)，優(yōu)化后各吹面風(fēng)道風(fēng)量分配更加均勻，有利于乘員艙的舒適性。圖14為改進(jìn)后進(jìn)行除霜瞬態(tài)計(jì)算的霜層變化云圖，從霜層隨時(shí)間變化來(lái)看，20 min 時(shí) A 區(qū)除霜面積已大于 80%，25 min 時(shí) A1區(qū)除霜面積已大于80%，30 min 時(shí) B 區(qū)面積已接近95%；該模擬忽略了雨刮對(duì)除霜的影響，而除霜試驗(yàn)中可以使用雨刮，故實(shí)際的除霜時(shí)間相比仿真用時(shí)可能會(huì)更短。綜合來(lái)看， 該空調(diào)系統(tǒng)滿足《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》(GB 11555—2009)中的汽車風(fēng)窗玻璃除霜要求。

圖14 霜層變化云圖Fig.14 The distribution map of frost layer variation

5 結(jié)論

采用CFD方法對(duì)整車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了兩種工作狀態(tài)(除霜除霧及吹面)下內(nèi)部流場(chǎng)分布情況，得出如下結(jié)論。

(1)整體空調(diào)系統(tǒng)在除霜除霧和吹面兩種模式下工作時(shí)內(nèi)部氣流流動(dòng)較順暢。除霜除霧模式下各風(fēng)道出風(fēng)口速度及風(fēng)量分布較均勻，但前擋玻璃A區(qū)、左右兩側(cè)窗駕駛員視野區(qū)的速度分布均不理想；吹面模式下，左右兩側(cè)出風(fēng)口速度及風(fēng)量分配較好，中間風(fēng)道兩出風(fēng)口的速度及風(fēng)量分配不均勻，影響氣流均勻性。

(2)針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)除霜除霧及吹面模式下的問(wèn)題，提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。優(yōu)化后前檔風(fēng)玻璃表面速度明顯改善，側(cè)窗玻璃表面速度略有提升，除霜性能滿足國(guó)標(biāo)中汽車風(fēng)窗玻璃除霜要求；優(yōu)化后各吹面風(fēng)道風(fēng)量分配更加均勻，有利于乘員艙的舒適性。中右吹面出風(fēng)口吹出的風(fēng)能達(dá)到后排乘客車頂處，能保證后排乘客的舒適性。