轎車空調(diào)風(fēng)道溫度場特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

嚴運兵 ，丁明亮，劉穎星，鄭之兵，佘國芹

YAN Yun-bing1，DING Ming-liang1，LIU Ying-xing2，ZHENG Zhi-bing1，SHE Guo-qin1

（1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，武漢 430081；2.萬向通達股份有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

0 引言

隨著汽車市場的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)在汽車中發(fā)揮著越來越重要的作用，其性能的好壞影響著駕駛艙和乘員艙的舒適性，空調(diào)系統(tǒng)的模擬與分析計算受到了越來越多的重視[1]。計算機和數(shù)值計算的發(fā)展推動了基于CFD的空調(diào)優(yōu)化設(shè)計，研究成果均改善了車室內(nèi)的氣流組織[2～5]。車室內(nèi)氣流的速度、溫度直接影響乘員良好的體驗效果，空氣被風(fēng)道送進車內(nèi)，各風(fēng)道分配空氣流量，改變氣流方向，并使其以一定速度定向流動，運動平衡后在車室內(nèi)形成適宜的溫度場分布，從而提高熱舒適性[6,7]。因此風(fēng)道內(nèi)氣流組織在空調(diào)系統(tǒng)不同工作模式下的速度場和溫度場分布特性尤為重要，如果風(fēng)道設(shè)計或者布置不合理，將很可能導(dǎo)致車內(nèi)的舒適性變差[8]。

某轎車的空調(diào)系統(tǒng)在前后排全制冷模式下出現(xiàn)了后排出風(fēng)口溫度比前排出風(fēng)口溫度高的問題，在一定程度上影響了車室內(nèi)的舒適性體驗。本文遵循故障原因分析、三維建模、計算分析、試驗驗證、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)路線，對空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進行技術(shù)分析；對風(fēng)道系統(tǒng)的溫度場分布特性進行數(shù)值模擬；對計算得出的仿真結(jié)果進行試驗驗證；在此基礎(chǔ)上通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化以解決車室內(nèi)出現(xiàn)的溫差問題。

1 空調(diào)系統(tǒng)故障原因分析

1.1 常規(guī)故障分析

該轎車在夏天開啟空調(diào)時，車室內(nèi)乘員頻繁感覺前排比后排要更涼爽一些，測溫設(shè)備得到的數(shù)據(jù)顯示前后排達到了近3℃的溫差。圖1中列出了可能出現(xiàn)的導(dǎo)致制冷不佳的一些主要原因[9]。

圖1 制冷效果不佳原因

空調(diào)工作模式被切換到前后排全制冷狀態(tài)時，待轎車空調(diào)工作穩(wěn)定、車室內(nèi)氣流組織運動平衡后，對可能出現(xiàn)的制冷不佳原因一一進行了檢查。經(jīng)全面分析，蒸發(fā)器、鼓風(fēng)機、壓縮機、冷凝器、空調(diào)電氣系統(tǒng)外部管路等部件工作正常，系統(tǒng)密封性良好。

1.2 幾何結(jié)構(gòu)分析

轎車空調(diào)出風(fēng)口主要包括前排吹臉出風(fēng)口、前排吹腳出風(fēng)口、前排除霜出風(fēng)口、后排吹臉出風(fēng)口和后排吹腳出風(fēng)口，圖2為空調(diào)風(fēng)道總成截面示意圖。

圖2 空調(diào)風(fēng)道總成截面示意圖

圖2所示模式是手動空調(diào)在全制冷狀態(tài)下各風(fēng)門的實際工作情況，空氣從進風(fēng)口被送入風(fēng)道，經(jīng)過濾、凈化，與蒸發(fā)器進行熱交換而受到冷卻。在鼓風(fēng)機作用下，被冷卻的空氣最終從出風(fēng)口吹出。

從結(jié)構(gòu)的初步分析可知，暖風(fēng)芯體左下部與后排吹臉、吹腳出風(fēng)口處的通道處于連通狀態(tài)，暖風(fēng)芯體所發(fā)出的熱量對下出風(fēng)口（即后排吹臉、吹腳出風(fēng)口）存在一定程度的熱干擾，這種熱干擾可能是前后排出現(xiàn)溫差的主要原因。為驗證這一設(shè)想，本文采用CFD方法對空調(diào)風(fēng)道進行數(shù)值模擬，根據(jù)計算結(jié)果提出優(yōu)化方案。

2 CFD軟件模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

汽車車室內(nèi)流場的運動通常認為是不可壓縮的湍流流動，符合粘性流體動力學(xué)N-S方程連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。而目前，可以應(yīng)用于汽車車室內(nèi)流場的湍流數(shù)值模擬方法主要有直接數(shù)值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）、Reynolds平均法（RANS）[10]。

在數(shù)值模擬方法中關(guān)鍵是建立合適的湍流模型，由于k-ε模型在模擬車室內(nèi)溫度場較試驗結(jié)果吻合很好，因此本文湍流模型采用RNG k-ε方程描述。

1）連續(xù)性方程：

2）動量守恒方程：

3）ε方程：

4）k 方程：

5）能量守恒方程：

有效粘度ueff根據(jù)下式計算：

上式：ρ是流體密度,單位是kg/m3；k是湍動能，單位是m2/s2；ε是湍流耗散率，單位是kg/(m·s)；ut為渦粘性；s是表面積，單位是m2；T代表熱力學(xué)溫度，單位是K；umol表示分子粘度；ak、aε、C1ε、C2ε是經(jīng)驗常數(shù)，其取值如表1所示。

表1 經(jīng)驗常數(shù)值

2.2 CFD模型及邊界條件的分析

2.2.1 CFD模型

由于空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道總成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在CATIA中建立三維數(shù)字模型后并進行簡化處理[11]，得到的空調(diào)風(fēng)道總成流體計算域模型如圖3所示。

圖3 空調(diào)風(fēng)道總成流體計算域模型

將簡化后的模型導(dǎo)入Fluent前處理器Gmbit中劃分網(wǎng)格。由于風(fēng)道總成殼體容積較大，本文對整個風(fēng)道總成物理模型計算域采用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格劃分，生成了75萬多個網(wǎng)格單元。Fluent中自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)可以實現(xiàn)多種自適應(yīng)函數(shù)，以期根據(jù)計算得到的結(jié)果反過來調(diào)整和優(yōu)化網(wǎng)格，從而使得計算結(jié)果更加精確，這是目前CFD應(yīng)用中提高計算精度的最重要技術(shù)之一。

2.2.2 邊界條件分析

網(wǎng)格劃分后較重要的是求解器中邊界條件的分析和設(shè)定。模擬計算時整個空調(diào)風(fēng)道總成模型內(nèi)部為流體部分，由于空氣流動要通過蒸發(fā)器，因此需要將蒸發(fā)器部分設(shè)置為多孔介質(zhì)。暖風(fēng)芯體具有與蒸發(fā)器類似的結(jié)構(gòu)，在本文所模擬的條件下，其沒有空氣通過，空氣只與暖風(fēng)芯體的一個面有接觸，因此可以將其作為一個固定熱源處理。

經(jīng)綜合分析，速度入口條件為：初始溫度為35℃，切向速度為21m/s，湍流強度為5%，湍流粘度比為20；出口壓力條件為：出口背壓為0，湍流強度為10%，湍流粘度比為20。邊界條件設(shè)定后，最后運用Fluent求解器求解。

2.3 CFD模擬結(jié)果分析

運用Fluent求解器，根據(jù)已設(shè)定的邊界條件，對風(fēng)道內(nèi)的空氣流動速度場和溫度場分布特性進行模擬，求解過程采用SIMPLE壓力修正法迭代[12]，得到了空氣流動速度場分布圖4和溫度場分布圖5。

圖4 速度場分布圖

圖5 溫度場分布圖

由圖4速度場分布圖可以看出，進風(fēng)口速度較快，大約為20.8m/s；隨后速度逐漸降低，尤其是經(jīng)過蒸發(fā)器后速度下降明顯，因為蒸發(fā)器對氣流有一定的阻礙作用；到了前排吹臉和后排吹臉處速度基本降為7.3m/s，符合轎車空調(diào)最大出風(fēng)口速度。

由圖5溫度場分布圖可以看出，進風(fēng)口溫度為35℃，隨后溫度逐漸降低，尤其是通過蒸發(fā)器時，蒸發(fā)器的制冷作用導(dǎo)致溫度降低較快。最終后排出風(fēng)口溫度比前排出風(fēng)口溫度高，由圖2風(fēng)道總成的截面示意圖可知，暖風(fēng)芯體的下面正對著后排出風(fēng)口。

3 試驗結(jié)果驗證

3.1 試驗條件控制

為評價數(shù)字模擬結(jié)果的可靠性和準確性，本文參考QC/T657-2000《汽車空調(diào)制冷裝置試驗方法》[13]以及汽車空調(diào)行業(yè)標準，應(yīng)用溫度測量精度為士0.2℃的TTC試驗臺，采用熱電偶直接測量法測取了空調(diào)分風(fēng)道出風(fēng)口溫度值。

試驗時將空調(diào)的工作狀態(tài)切換為前、后吹臉模式，前、后排測點位置置于距離出風(fēng)口平面往內(nèi)2cm～3cm處；熱電偶沿線離頂端3cm～4cm處折彎，熱電偶部分置于距離出風(fēng)口截面2cm～3cm處；在前、后吹臉出風(fēng)口處各布置四個熱電偶，熱電偶連接導(dǎo)線用錫鉑紙固定在空調(diào)分風(fēng)道殼體上，分別如圖6、圖7所示。

圖6 前排吹臉熱電偶布置

圖7 后排吹臉熱電偶布置

相關(guān)測點和熱電偶布置完成后，將空調(diào)切換到前、后排吹臉全制冷狀態(tài)，另外，為了保證試驗結(jié)果的準確性，用錫鉑紙將前排除霜出風(fēng)口、前排吹腳出風(fēng)口、后排吹腳出風(fēng)口均作密封處理，并在可能漏風(fēng)的地方用膠泥堵上，盡量消除其他因素對試驗結(jié)果的影響。

3.2 試驗結(jié)果分析

在前、后排吹臉全制冷模式下，監(jiān)測點1～4是前排吹臉出風(fēng)口處四個熱電偶的車身坐標位置；監(jiān)測點5～8是后排吹臉出風(fēng)口處四個熱電偶的車身坐標位置。8個監(jiān)測點溫度的具體數(shù)值如表2所示。而上述8個監(jiān)測點的模擬分析溫度值如表3所示。

表2 前后排各監(jiān)測點測得的實驗數(shù)據(jù)（單位℃）

表3 前后排各監(jiān)測點模擬分析值（單位℃）

由表2可見，前排吹臉出風(fēng)口處四個監(jiān)測點的溫度值很接近，而后排吹臉出風(fēng)口處四個監(jiān)測點溫度中有兩個溫度值與前排吹臉出風(fēng)口的溫度值很接近，但有兩個監(jiān)測點的溫度值比其他點溫度值高，即后排靠近暖風(fēng)芯體的出風(fēng)口處兩監(jiān)測點溫度值比其余6個監(jiān)測點大，并且后排吹臉出風(fēng)口的平均溫度比前排高2.7℃，而表3后排吹臉出風(fēng)口的平均溫度比前排高3.1℃。由此基本可以確定暖風(fēng)芯體的熱干擾對后排出風(fēng)口有一定影響，試驗結(jié)果與上述CFD數(shù)值仿真結(jié)論一致，也驗證了故障分析的正確性。

4 風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗證分析

4.1 風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)CFD數(shù)值模擬和試驗結(jié)果對比可知，打開空調(diào)時，車室內(nèi)前、后排溫差產(chǎn)生的主要原因是由于暖風(fēng)芯體對后吹臉風(fēng)道出口處有熱干擾，以至于后排出風(fēng)口溫度比前排出風(fēng)口溫度值高，因此在暖風(fēng)芯體與后吹臉出風(fēng)道出口處設(shè)計一個風(fēng)門，將暖風(fēng)芯體與后排出風(fēng)口隔開。優(yōu)化后的三維數(shù)字模型流體計算域如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后空調(diào)風(fēng)道總成流體計算域

4.2 CFD模擬驗證

在暖風(fēng)芯體與后臉風(fēng)道出口處設(shè)計一風(fēng)門，將風(fēng)道總成三維數(shù)字模型導(dǎo)入前處理軟件Gambit中劃分網(wǎng)格，并在Fluent中設(shè)置邊界以及各種參數(shù)，所有前處理網(wǎng)格的劃分和相關(guān)的設(shè)置跟未加風(fēng)門前是完全一樣的。

得到了風(fēng)道優(yōu)化后八個監(jiān)測點的溫度曲線圖，圖9是監(jiān)測點1的溫度曲線圖。

監(jiān)測點溫度曲線圖可以得到，迭代到450步時溫度曲線趨于收斂狀態(tài)，即溫度達到平衡。八個監(jiān)測點溫度值如表4所示。

圖9 監(jiān)測點1溫度曲線圖

表4 前后排各監(jiān)測點所測得的實驗數(shù)據(jù)（單位℃）

由表4可以看出，前吹臉四個監(jiān)測點溫度與后吹臉四個監(jiān)測點溫度相差較小，因此在暖風(fēng)芯體與后門出風(fēng)道出風(fēng)口處設(shè)計一個風(fēng)門，基本消除了前、后排出風(fēng)口的溫差。

考慮到試驗需要耗費大量的人力、物力、財力，從節(jié)約成本和提高效率的角度出發(fā)，本文采用CFD軟件對優(yōu)化后的風(fēng)道溫度場再次模擬后，并沒有進行實車試驗。

5 結(jié)論

1）本文對某轎車開啟空調(diào)時車室內(nèi)出現(xiàn)的溫差問題進行了常規(guī)檢查和分析，初步得出了產(chǎn)生問題的原因可能是風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

2）采用CFD數(shù)值模擬方法對其空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)的氣流組織流場進行了仿真分析，得到了溫度場分布特性，仿真結(jié)果和試驗測試值相吻合，進而提出了優(yōu)化方案，基本解決了車室內(nèi)的前、后排溫差問題。

3）通過試驗和CFD仿真結(jié)果對比，說明了本文建立的CFD仿真分析模型可以應(yīng)用于實際。利用數(shù)值方法的準確性和靈活性，研究空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)的溫度場分布特性以指導(dǎo)其物理結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，極大地縮短了傳統(tǒng)設(shè)計空調(diào)風(fēng)道的時間，可大大節(jié)省成本。

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