空調(diào)最大制冷量的耦合模擬分析

孟祥軍 錢銳 張鑫 孫建逵

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

隨著近幾年汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，CFD技術(shù)越來越多的應(yīng)用到汽車開發(fā)中。最大制冷的模擬分析已經(jīng)開始應(yīng)用到開發(fā)當(dāng)中，可以節(jié)省大量的前期開發(fā)時間[1]，但由于最大制冷過程中包括初始Soak狀態(tài)，此過程模擬涉及到熱輻射、傳熱、對流及光照等因素，相對邊界條件比較復(fù)雜。目前通過單一軟件進行分析，導(dǎo)致結(jié)果會存在很大的偏差，對前期設(shè)計沒有更好的指導(dǎo)意義，所以文章通過Fluent與Radtherm進行耦合計算，通過對某款車型在溫度環(huán)境為（38±1）℃，光照強度為1 000 W/m2的環(huán)境下進行Soak，當(dāng)呼吸點的溫度達到60℃時，空調(diào)進行最大制冷的開啟進行模擬[2]，同時監(jiān)測空調(diào)人體模型呼吸點的溫度變化，通過實際車型測試與模擬結(jié)果的對比可以看出，模擬和測試呼吸點的溫度變化基本一致，偏差不是很大，使此耦合計算在前期開發(fā)有一定的指導(dǎo)意義，模擬的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

1 模擬結(jié)果

1.1 計算網(wǎng)格的生成

首先在ANSA里面處理完幾何模型后，再進行面網(wǎng)格劃分，面網(wǎng)格選用三角形非結(jié)構(gòu)形式，對于關(guān)鍵零部件網(wǎng)格大小為5～10 mm，假人模型網(wǎng)格大小為10 mm左右，車身網(wǎng)格大小為50 mm左右。圖1和圖2分別示出整車及整車內(nèi)部劃分后的網(wǎng)格示意圖。在保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確下，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進行體網(wǎng)格劃分[3]，體網(wǎng)格生成采用六面體核心的畫法，與面網(wǎng)格接觸處通過五面體進行過渡，中間為六面體填充，最后通過生成的體網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent進行計算。

1.2 Soak狀態(tài)下的模擬

Fluent Soak狀態(tài)下的模擬，模擬條件是處于環(huán)境溫度為（38±1）℃，光照為1 000 W/m2，整車發(fā)動機和空調(diào)鼓風(fēng)機處于關(guān)閉，車速為0的狀態(tài)下進行模擬，直到呼吸點的溫度達到穩(wěn)定60℃停止Soak，太陽輻射穿透玻璃的熱流量，如圖3所示，第1次計算得到假人呼吸點溫度，如圖4所示。

通過模擬結(jié)果可以得出，當(dāng)為Soak狀態(tài)下，F(xiàn)luent得出呼吸點穩(wěn)態(tài)溫度為41.4℃，通過此模擬看出壁面溫度與實際對比偏低，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出Fluent下內(nèi)部壁面的換熱系數(shù)和溫度，此壁面的換熱系數(shù)和溫度導(dǎo)入Radtherm進行計算（模擬條件與Fluent Soak模擬的環(huán)境完全一致），模擬結(jié)果，如圖5所示。

通過Radtherm得出的壁面溫度再導(dǎo)入到Fluent內(nèi)，在FluentSoak狀態(tài)下繼續(xù)計算，重復(fù)此操作2～3次，最終達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，最終通過Fluent計算得出呼吸點的穩(wěn)定的Soak溫度60℃，此狀態(tài)作為最大制冷模擬的初始環(huán)境條件，此模擬結(jié)果也與風(fēng)洞所測的呼吸點溫度基本保持一致。

1.3 最大制冷量的模擬

最大制冷能力的模擬是基于初始Soak狀態(tài)下進行的，在Fluent得出Soak呼吸點溫度為60℃基礎(chǔ)上再進行氣流計算，并通過空調(diào)箱單體實際所測的溫升曲線輸入到空調(diào)風(fēng)道的進口當(dāng)中，最大制冷艙內(nèi)氣流模擬，如圖6所示。

當(dāng)Fluent氣流計算穩(wěn)定后（迭代大概2 000步），再打開能量模塊進行溫度計算?？照{(diào)箱進口的溫降曲線，如圖7所示，空調(diào)箱進風(fēng)口位置，如圖8所示。

通過給定的降溫曲線進行非穩(wěn)態(tài)的計算，并設(shè)定時間步長為2S進行迭代，當(dāng)?shù)?0 min后導(dǎo)出換熱系數(shù)和溫度，此對流換熱系數(shù)和溫度再導(dǎo)入到Radtherm Soak初始環(huán)境中，進行穩(wěn)態(tài)計算，最后得出最大制冷各壁面10 min的溫度，此壁面溫度再導(dǎo)入到Fluent當(dāng)中進行穩(wěn)態(tài)計算，最后得出假人模型呼吸點的溫度。模擬過程，如圖9～11所示。

按此方法進行計算 15，20，25，30，40 min 時呼吸點的溫度。最終計算結(jié)果，如圖12所示。

2 分析及結(jié)論

1）Fluent Soak與Radtherm Soak進行耦合計算，通過Fluent計算得到換熱系數(shù)和溫度后導(dǎo)入到Radtherm中進行壁面溫度計算，得到的壁面溫度反過來校核Fluent，耦合3次達到穩(wěn)定狀態(tài)；

2）最大制冷模擬首先需要得到一個穩(wěn)定的流場后再進行溫度場的模擬，呼吸點溫度通過3～5個點進行監(jiān)測后取平均值，這樣可以更好的與實際匹配；

3）通過最終模擬結(jié)果可以看出，如果能夠給出準(zhǔn)確的空調(diào)入口溫降曲線，乘客呼吸點的分析值與實測值的溫度基本一致，使在最大制冷模擬的溫度場更加準(zhǔn)確。