機(jī)艙流場分析在汽車空調(diào)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

常利偉 孫玉

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對汽車舒適性要求的不斷提高，空調(diào)在汽車上的配置越來越普遍。針對某款車發(fā)生在低速及怠速時空調(diào)系統(tǒng)制冷能力不足的問題，初步分析發(fā)生此現(xiàn)象的原因是位于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的散熱元件冷凝器不滿足使用要求。文章應(yīng)用三維流體分析軟件STAR-CCM+對其機(jī)艙流場進(jìn)行了未加熱源的冷態(tài)流場分析計算，進(jìn)一步分析問題出現(xiàn)的原因。

1 原設(shè)計車模擬模型及邊界條件

1.1 原設(shè)計車模型

用穩(wěn)態(tài)模型來模擬該車正常勻速行駛。該模型中，車體靜止，用一個在長、寬、高3個方向均遠(yuǎn)大于汽車尺寸的六面體封閉空間來代替大氣環(huán)境[1]，封閉空間前端面設(shè)置了與汽車速度相等但反向的空氣速度入口，后端面設(shè)置了與大氣壓相等的壓力出口[2]。同時考慮到車輪轉(zhuǎn)動對流場的影響，設(shè)定了相應(yīng)車速下的車輪轉(zhuǎn)速。圖1a示出原設(shè)計車網(wǎng)格化后的模型，圖1b示出原設(shè)計車在風(fēng)洞內(nèi)固定安裝位置后的整體仿真域模型。

1.2 機(jī)艙流場分析的假定及邊界條件

機(jī)艙流場分析假定及簡化主要包括:1）空氣體積質(zhì)量視為常數(shù)，不隨壓力的變化而變化；2）風(fēng)扇以均勻轉(zhuǎn)速運(yùn)行；3）散熱器與冷凝器采用多孔介質(zhì)處理；4）風(fēng)扇采用風(fēng)扇動量源模型方式處理；5）對一些不重要的比較小的幾何特征做了簡化處理[2]；6）計算量與硬件綜合考慮，未考慮機(jī)艙內(nèi)各熱源發(fā)熱量引起溫度變化的影響。

模擬的風(fēng)洞測試環(huán)境條件:1）溫度為40℃，查得此時空氣體積質(zhì)量為1.128 kg/m3，粘度為1.91×10-5Pa·s；2）整個計算域入口類型為velocity inlet；3）出口類型為pressure outlet，出口壓力均為101 325 Pa；4）計算工況分別為車速0，40 km/h。

2 原設(shè)計車計算結(jié)果及分析

2.1 流經(jīng)散熱器與冷凝器的空氣流量

表1示出各工況下通過散熱器、冷凝器及格柵的空氣流量分配。怠速時，風(fēng)扇起主要作用，冷卻空氣不僅從格柵進(jìn)入機(jī)艙，還有其他入口，因此格柵進(jìn)氣量相比較于流經(jīng)散熱器與冷凝器的空氣流量而言較小。隨著車速增加，上下格柵、散熱器及冷凝器風(fēng)量均有增加，尤其是格柵入口處，其流量已超過流經(jīng)散熱器的空氣流量。同時，經(jīng)過與以往分析的車型相比較，此車型在怠速及低速時的冷卻空氣流量并無明顯虧缺。

表1 不同工況下通過散熱器、冷凝器以及格柵的空氣流量m3/h

2.2 機(jī)艙內(nèi)的流場分布

圖2示出發(fā)動機(jī)艙內(nèi)冷凝器周圍熱風(fēng)回流通路。從圖2中可以看到比較明顯的回流通路，經(jīng)過冷凝器和散熱器的熱風(fēng)經(jīng)回流通路回到冷凝器之前，與溫度較低的新風(fēng)相混合，使冷卻空氣的溫度提高，從而降低了對冷凝器與散熱器內(nèi)熱流體的冷卻效果。

3 優(yōu)化設(shè)計后的改進(jìn)模型及結(jié)果

3.1 改進(jìn)車模型

為了改善車載空調(diào)低速時的性能，結(jié)合文中2.2計算后所發(fā)現(xiàn)的回流問題，對車載空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了整改，主要措施是:1）將冷凝器面積加大約18%，以增強(qiáng)冷凝器換熱量；2）在回流比較嚴(yán)重的部位，增加導(dǎo)流護(hù)板。冷凝器芯體改進(jìn)措施示意圖，如圖3所示。

3.2 改進(jìn)車機(jī)艙流場分析結(jié)果

表2示出改款前后流經(jīng)各重要監(jiān)測面的空氣流量對比。從表2可以看到，改款后，各處風(fēng)量均有所下降，最大降幅達(dá)20%。這主要是由于冷凝器加大以及添置了冷凝器導(dǎo)流板后，機(jī)艙內(nèi)流動阻力增大，而機(jī)艙入口格柵開口面積及形狀未變，從而造成進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)的空氣流量減小所致。圖4示出改款后冷凝器側(cè)邊速度分布圖。從圖4中可以看到，圖2a所描述的回流顯著減少，圖2b中的回流同樣減少。因此，冷卻空氣的品質(zhì)得到改善。

表2 改款前后空氣流量對比（車速40 km/h）m3/h

4 原設(shè)計車及改進(jìn)車樣件裝車測試結(jié)果

將原設(shè)計車與改進(jìn)車分別在車速為怠速及40，60，120 km/h時進(jìn)行空調(diào)降溫試驗，按照公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。

結(jié)果顯示，兩車型最差結(jié)果均出現(xiàn)在怠速工況。原設(shè)計車乘員頭部平均溫度為33.5℃，空調(diào)制冷等級為7級，空調(diào)舒適度為熱；空調(diào)冷凝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，乘員頭部平均溫度為27.5℃，制冷等級為4級，舒適度為舒適。從而證明冷凝器改進(jìn)后增加了空調(diào)系統(tǒng)換熱量，原設(shè)計車在怠速時制冷量不足的問題得到了解決。

5 結(jié)論

文章利用CFD軟件針對某型車在發(fā)生空調(diào)制冷量不足，對怠速及低速時的冷態(tài)機(jī)艙流場進(jìn)行了計算，得到了流經(jīng)冷凝器與散熱器等處的冷卻空氣流量。經(jīng)與其他車型分析結(jié)果對照，空氣流量并無明顯虧缺。同時得出其流速及壓力等流體參數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)了回流問題。根據(jù)該問題，對冷凝器進(jìn)行了改進(jìn)，并用同樣的方法，對改進(jìn)車進(jìn)行了機(jī)艙流場分析。對比原款車，各監(jiān)測處風(fēng)量均有所下降，但主要下降量為回流熱風(fēng)，因此得出，冷卻氣流的品質(zhì)有所改善。經(jīng)過改善后的樣件裝車測試，車載空調(diào)在低速及怠速時冷量不足得到解決。