(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300)
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。
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
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)2020年5期