汽車空調(diào)進氣系統(tǒng)水氣分離性能研究

摘 要：本文結(jié)合汽車空調(diào)進氣系統(tǒng)進水問題的解決，運用CFD方法進行了汽車空調(diào)進氣系統(tǒng)的氣液兩相流數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方式分析了空調(diào)進氣系統(tǒng)水氣不能徹底分離的原因，并對空調(diào)進氣系統(tǒng)的進氣性能進行了研究，通過實驗驗證了模擬方法的可靠性。模擬和實驗表明：空調(diào)擋水板的結(jié)構(gòu)對空調(diào)進氣系統(tǒng)的壓力分布有重要影響，而壓力分布影響著進入空調(diào)進氣系統(tǒng)的水滴的流動方向和速度，當(dāng)擋水板下邊緣的壓力較小時，水能夠在重力作用下流到車輛下部。

關(guān)鍵詞：兩相流;水氣分離;汽車空調(diào); CFD

一、緒論

（一）研究的目的和意義

本文是為提高空調(diào)進氣系統(tǒng)水氣分離性能而進行的研究，對空調(diào)進氣系統(tǒng)水氣不能完全分離的難題進行理論研究，總結(jié)水氣分離的原理，并應(yīng)用Ansys軟件對空調(diào)進氣系統(tǒng)進行CFD分析，總結(jié)空調(diào)進氣口壓力分布特點，總結(jié)擋水板布置的一般規(guī)律。

（二）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

國際上對雙流體模型的研究始于20世紀(jì)70年代， 雙流體模型基本方程主要包括連續(xù)性方程和動量守恒方程，在考慮溫度變化時，還要有相應(yīng)的能量守恒方程，一般采用k- 湍流模型計算液相湍流粘度。進行數(shù)值模擬的軟件一般有PHOENICS、STAR-CD、STAR-CCM+、FLUENT、CFX等商用軟件，本文進行數(shù)值模擬時使用的為CFX軟件。

（三）汽車空調(diào)進氣系統(tǒng)介紹

空調(diào)進氣系統(tǒng)位于汽車前風(fēng)窗玻璃右下部，與外部環(huán)境之間通過進氣格柵上的通風(fēng)孔進行空氣的交換，空調(diào)進氣格柵位于通風(fēng)蓋板下部，空氣通過通風(fēng)蓋板上的進氣孔、空調(diào)進氣格柵被空調(diào)鼓風(fēng)機吸入駕駛室內(nèi)部。在此功能實現(xiàn)的過程中空調(diào)進氣格柵不僅起著引導(dǎo)氣流的作用，同時要防止從通風(fēng)蓋板進入的水進入空調(diào)系統(tǒng)。

二、汽車空調(diào)進氣系統(tǒng)數(shù)值模擬

（一）創(chuàng)建幾何模型

創(chuàng)建幾何模型時，使用的為CATIA V5R19軟件?？照{(diào)進氣系統(tǒng)周圍的環(huán)境件較多，有翼子板內(nèi)板、通風(fēng)格柵上板、通風(fēng)格柵前圍上板等，且各零件的形狀也比較復(fù)雜。若按照實際形狀進行模型的建立，會造成網(wǎng)格數(shù)量多、計算精度差、計算時間長，為了避免以上問題，需要對模型進行簡化。

（二）網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格數(shù)目的多少將影響計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)目增加，計算精度會有所進步，但同時計算規(guī)模也會增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)目時應(yīng)權(quán)衡兩個因數(shù)綜合考慮。網(wǎng)格較少時增加網(wǎng)格數(shù)目可以使計算精度明顯進步，而計算時間不會有大的增加。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格時精度進步甚微，而計算時間卻有大幅度增加。實際應(yīng)用時可以比較兩種網(wǎng)格劃分的計算結(jié)果，假如兩次計算結(jié)果相差較大，可以繼續(xù)增加網(wǎng)格，相反則停止計算。

確定了系統(tǒng)的進氣口、出氣口、壁面之后則進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格型式選擇volume，自動生成網(wǎng)格即完成網(wǎng)格劃分。

（三）前處理

ANSYS的CFX模塊可執(zhí)行如下分析：層流或紊流、傳熱或絕熱、可壓縮或不可壓縮、牛頓流或非牛頓流、多組份傳輸。本文要選擇的模型為層流模型。

模型計算區(qū)域邊界條件為：標(biāo)準(zhǔn)大氣（1atm），整個計算區(qū)域的溫度為25℃（323K）。

模型進風(fēng)口：標(biāo)準(zhǔn)大氣（1atm），當(dāng)進行氣液雙相流計算時進入的流體為標(biāo)準(zhǔn)空氣和水的混合物，水的體積比例為1/5，空氣的體積比例為4/5。

模型的OUT1（出水口）：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm。

模型的OUT2（出氣口）：氣壓為-0.2atm。

重力方向選擇-Z方向，重力大小為9.8m/S2，水密度設(shè)置為997kg/m3。

（四） 數(shù)值求解

啟動求解管理器進行求解，收斂值設(shè)定為1.0×10-4，定義結(jié)果輸出路徑和工作路徑，啟動求解器進行數(shù)值求解。

（五） 后處理

通過對比可以得到以下結(jié)論：當(dāng)邊界條件相同時，調(diào)擋水板的結(jié)構(gòu)影響著壓力分布和出氣口部位的進水量，出氣口的空氣速度和出氣口的水流速度沒有直接關(guān)系，出氣口的空氣壓力和出氣口的水流速度沒有直接關(guān)系。根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)使用空調(diào)擋水板的第3種結(jié)構(gòu)時，出氣口部位的水流速度為負值，即出氣口部位不會進水。

三、試驗驗證

通過查閱資料了解到，目前沒有汽車空調(diào)進氣系統(tǒng)的試驗方面的文獻，所有汽車公司對空調(diào)進氣系統(tǒng)性能的判斷都是通過整車淋雨試驗進行，因此本論文中計算結(jié)果的驗證也是通過整車淋雨試驗進行。

按照3種空調(diào)擋水板的方案制作3個快速樣件，分別安裝到整車上進行淋雨試驗。雨量為2400mm/h，在淋雨試驗的30分鐘內(nèi)，試驗員一直位于駕駛室內(nèi)觀察各密封部位的密封情況。在試驗過程中要將空調(diào)工作模式為外循環(huán)，且風(fēng)量開到最大。

試驗結(jié)果如下：擋水板1安裝到車上進行試驗時，20分鐘時，駕駛室開始出現(xiàn)水漬，試驗后檢查，鼓風(fēng)機內(nèi)有少量積水?？照{(diào)進氣格柵上有大量水珠。擋水板2安裝到整車上進行試驗時，30分鐘時，試驗后檢查，鼓風(fēng)機內(nèi)有少量積水?？照{(diào)進氣格柵上有少量水珠。擋水板3安裝到整車上進行試驗時，30分鐘時，試驗后檢查，鼓風(fēng)機內(nèi)無積水?？照{(diào)進氣格柵上有少量水珠。

通過試驗對比可知，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，本文提到的空調(diào)進氣系統(tǒng)水氣分離結(jié)構(gòu)已經(jīng)很好的解決了空調(diào)進水的問題。

四、結(jié)論

本文采用仿真分析和試驗相結(jié)合的方法，結(jié)合企業(yè)實際存在的工程問題和在研項目，深入分析空調(diào)擋水板對水氣分離的影響，總結(jié)出這些影響因素的權(quán)重比;通過軟件仿真研究大雨量條件下空調(diào)系統(tǒng)進行內(nèi)外換氣時的氣液兩相流的流場、氣液分離情況、氣帶液量、壓力分布，研究出擋水板布置對氣液分離的影響規(guī)律，總結(jié)出空調(diào)進氣系統(tǒng)水氣分離結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

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