空調(diào)進(jìn)風(fēng)口前端水管理及相應(yīng)進(jìn)風(fēng)阻力關(guān)系

孟祥軍 錢銳 周滋鋒 嚴(yán)鵬 孫建逵

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

在目前汽車空調(diào)設(shè)計中，應(yīng)使前端進(jìn)風(fēng)阻力盡量小，滿足風(fēng)量的要求，同時也應(yīng)滿足水管理要求。針對目前此問題的驗證，主要的手段是通過實車進(jìn)行雨淋實驗和風(fēng)量的測試，這樣就很難在設(shè)計初期進(jìn)行相應(yīng)驗證，導(dǎo)致后期更改難度大、成本高且浪費(fèi)時間。文章通過對某款車型進(jìn)行空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的水管理及相應(yīng)進(jìn)氣阻力分析，在確定排水口的位置及大小的前提下，通過更改內(nèi)部相應(yīng)零部件的結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到設(shè)計要求，并通過分析得出水管理與進(jìn)風(fēng)阻力之間的相互關(guān)系。

1 模型計算

1.1 模型簡化及網(wǎng)格生成

模型簡化主要關(guān)注5 個重點零部件：1）前擋風(fēng)玻璃，以最外側(cè)的面為基準(zhǔn)，簡化為片體，模型在簡化過程中不能改變玻璃的曲率；2）進(jìn)氣格柵上的小孔是水管理的重要的設(shè)計參數(shù)，簡化要保證小孔的開孔面積；3）雨刮電機(jī)是主要監(jiān)測的零部件，在簡化過程中要保證最外面的輪廓形狀與實際模型相符，不要有大的改動；4）空調(diào)進(jìn)風(fēng)口與支撐板接觸的結(jié)構(gòu)，要保證其精度，此處需要監(jiān)測液位的高度；5）支撐板上的排水槽液劃分的網(wǎng)格要保證與實際的數(shù)模一致，這樣可以準(zhǔn)確地判斷水的卸載能力。通過簡化，進(jìn)氣格柵上的小孔及相關(guān)零件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

幾何模型簡化后，再進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，面網(wǎng)格選用三角形非結(jié)構(gòu)形式。對于進(jìn)氣格柵有孔的零部件，網(wǎng)格大小為2 mm 左右，其它零部件的網(wǎng)格為5 mm 左右。在保證計算結(jié)果準(zhǔn)確的情況下，使網(wǎng)格數(shù)量盡量少，當(dāng)面網(wǎng)格計算好后，導(dǎo)入到TGrid 軟件進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格生成采用四面體畫法，最后通過生成的體網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent 軟件進(jìn)行計算[1]。

1.2 基本理論

空調(diào)進(jìn)口前端水管理采用瞬態(tài)模擬，計算采用VOF 多相流模型，計算中每個迭代步長為0.001 s，每個步長迭代20 次，計算20 s，總共需要迭代40 萬步，為了更好的加快計算,采用8 核并行計算，前端進(jìn)風(fēng)阻力計算選用湍流模型（k-ε）的穩(wěn)態(tài)計算，差分格式采用2 階迎風(fēng)格式，應(yīng)用SIMPLEC 算法進(jìn)行迭代計算，殘差曲線判定設(shè)為1.0×10-6[2]。

1.3 邊界條件的設(shè)置

進(jìn)口：水管理分析中進(jìn)口采用流量為2.52 L/s 的水延玻璃表面流下，進(jìn)口設(shè)為第二相（水），前端進(jìn)氣阻力分析進(jìn)口為壓力進(jìn)口[3]。

出口：水管理出口設(shè)為壓力出口邊界條件，大小為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101 325 Pa），出口第二相設(shè)為空氣，前端進(jìn)氣阻力模擬分析，以空調(diào)進(jìn)風(fēng)口125 L/s 的空氣吸入空調(diào)內(nèi)進(jìn)行模擬[4]。

2 模擬結(jié)果

2.1 改進(jìn)前進(jìn)風(fēng)阻力與水管理的模擬結(jié)果

當(dāng)進(jìn)風(fēng)口流量為125 L/s 時，空調(diào)的進(jìn)風(fēng)口流線圖和壓力云圖，如圖2所示。

通過圖2b 可以得出，從進(jìn)氣格柵到空調(diào)進(jìn)口的壓降為170 Pa，此壓降符合設(shè)計要求。

前端水管理模擬結(jié)果，如圖3所示。圖3 中，藍(lán)色代表零件處于沒有浸水的狀態(tài)；紅色代表零件處于完全浸水的狀態(tài)；藍(lán)色和紅色之間代表有部分水會浸入到零件上。

通過圖3 可以看出，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口沒有進(jìn)水，電機(jī)表面有水，其原因是水漫過擋板流到電機(jī)表面上，電機(jī)表面長時間有水會導(dǎo)致電機(jī)失效，因此此水管理設(shè)計有待改進(jìn)，改進(jìn)方案1 為：將擋板的高度增加10 mm。

2.2 擋板高度增加10 mm后進(jìn)氣阻力與水管理的模擬結(jié)果

當(dāng)擋板高度增加10 mm 后，空調(diào)進(jìn)氣阻力模擬的速度流線圖及壓力云圖，如圖4所示。

通過圖4 可以得出，此狀態(tài)下外界到空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的壓降為212 Pa，進(jìn)口壓降相對于原來的（170 Pa）略有增加，此壓力滿足設(shè)計要求（設(shè)計要求前端空調(diào)進(jìn)氣的壓降要小于235 Pa）。

前端水管理的模擬結(jié)果，如圖5所示。圖5 中，藍(lán)色代表零件處于沒有浸水的狀態(tài)；紅色代表零件處于完全浸水的狀態(tài)；藍(lán)色和紅色之間代表有部分水會浸入到零件上。

通過圖5 可以看出，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口沒有進(jìn)水，電機(jī)表面沒有進(jìn)水（此狀態(tài)下水恰好沒有漫過擋板，但沒有設(shè)計余量），此結(jié)構(gòu)設(shè)計的水管理符合設(shè)計要求。為了使電機(jī)更加有保證性，有一定的余量，改進(jìn)方案2 為：將擋板的高度增加18 mm。

2.3 擋板高度增加18 mm后進(jìn)氣阻力與水管理的模擬結(jié)果

當(dāng)擋板增加18 mm 后，空調(diào)進(jìn)氣阻力模擬的速度流線圖及壓力云圖，如圖6所示。

通過圖6 可以得出，此狀態(tài)下，從外界到空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的壓降為253 Pa，進(jìn)口壓降隨著擋板高度的增加繼續(xù)增大，此壓力不滿足設(shè)計要求（設(shè)計要求前端空調(diào)進(jìn)氣的壓降要小于235 Pa）。

前端水管理的模擬結(jié)果，如圖7所示。圖7 中，藍(lán)色代表零件處于沒有浸水的狀態(tài)；紅色代表零件處于完全浸水的狀態(tài)；藍(lán)色和紅色之間代表有部分水會浸入到零件上。

通過圖7 可以看出，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口沒有進(jìn)水，電機(jī)表面沒有進(jìn)水（此狀態(tài)下水未漫過擋板并且有一定的設(shè)計余量），此結(jié)構(gòu)設(shè)計的水管理符合設(shè)計要求，水管理狀態(tài)表現(xiàn)比較好。

2.4 結(jié)果分析

通過分析結(jié)果可以看出，未更改結(jié)構(gòu)下空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的阻力為170 Pa，水管理不滿足要求，狀態(tài)評價為差；當(dāng)擋板高度增加10 mm 后，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的阻力為212 Pa，水管理滿足要求，但沒有設(shè)計余量，水管理的狀態(tài)評價為中；當(dāng)擋板高度增加到18 mm 后，空調(diào)進(jìn)風(fēng)阻力為253 Pa（設(shè)計值應(yīng)小于235 Pa，空調(diào)進(jìn)風(fēng)阻力已超過了設(shè)計值得要求），進(jìn)氣阻力不符合設(shè)計要求，水管理由于存在設(shè)計余量，符合設(shè)計要求，水管理狀態(tài)評價為好。

對于上文分析的3 種情況，在工程方面一般會選擇方案1，即擋板增加10 mm，這樣才能保證滿足水管理的同時，盡量使進(jìn)氣阻力較小。

3 結(jié)論

通過更改擋板的結(jié)構(gòu)可以看出，隨著擋板高度的增高，水管理狀態(tài)越來越好，但空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的阻力越來越大，進(jìn)氣阻力狀態(tài)卻越來越差，由此可以得出，水管理與空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的阻力存在相互制約的關(guān)系，因此在設(shè)計方面，要考慮兩者的均衡性，如果在設(shè)計中只考慮一方面，必會造成另一方面相對較差，所以設(shè)計上要反復(fù)驗證，找到最佳的狀態(tài)點，在此分析結(jié)果中方案2 相對比較好，在滿足水管理的同時也盡量使進(jìn)氣阻力較小。