基于FloEFD軟件的空調(diào)箱溫度線性設(shè)計(jì)

陸平，李波，周滋鋒，錢銳

（1-泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201；2-明導(dǎo)（上海）電子科技有限公司，上海 200120）

基于FloEFD軟件的空調(diào)箱溫度線性設(shè)計(jì)

陸平*1，李波2，周滋鋒1，錢銳1

（1-泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201；2-明導(dǎo)（上海）電子科技有限公司，上海 200120）

本文基于FloEFD CFD軟件，對(duì)空調(diào)箱線性設(shè)計(jì)過程中出風(fēng)溫度均勻性能進(jìn)行參數(shù)化仿真研究。通過改變空調(diào)箱內(nèi)部冷熱流道相關(guān)參數(shù)尺寸后，進(jìn)行CFD研究確認(rèn)冷熱流道對(duì)沖角度及流道面積比最優(yōu)組合，確?？照{(diào)箱最優(yōu)的冷熱氣流混風(fēng)效果及出風(fēng)溫度均勻性表現(xiàn)，這對(duì)空調(diào)箱線性性能設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要意義。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）；空調(diào)箱；線性度

0 引言

隨著人民生活的提高，有車一族的數(shù)量也越來越多，對(duì)汽車乘駕舒適性的要求也有了更高的標(biāo)準(zhǔn)[1]。其中，汽車空調(diào)出風(fēng)溫度線性均勻度表現(xiàn)是影響整車舒適性的關(guān)鍵性能之一。均勻的空調(diào)箱出風(fēng)溫度一方面能確保車輛使用者最終所感受到均勻的出風(fēng)溫度，另一方面又能降低自動(dòng)空調(diào)溫控算法標(biāo)定工作上的繁復(fù)程度。同時(shí)，均勻性好的冷卻氣流對(duì)車室的冷卻性能更好[2]。但是，由于車身空間限制，汽車空調(diào)多結(jié)構(gòu)緊湊，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理容易產(chǎn)生冷、熱氣流混合不充分現(xiàn)象，直接導(dǎo)致出風(fēng)口溫度不均勻[3]。因此，對(duì)于一款空調(diào)箱的開發(fā)工作而言，提升出風(fēng)溫度均勻性尤為重要。

目前，空調(diào)箱設(shè)計(jì)開發(fā)過程中對(duì)于線性性能的設(shè)計(jì)更多基于工程經(jīng)驗(yàn)及反復(fù)的工程樣件與開發(fā)驗(yàn)證，這在占據(jù)大量的開發(fā)周期的同時(shí)無疑又增加了工程開發(fā)成本。本文通過應(yīng)用FloEFD CFD軟件工具并利用其自帶參數(shù)化計(jì)算功能，使得原本繁復(fù)的開發(fā)、驗(yàn)證過程的效率極大提升。

1 模型

1.1 物理模型

本文中研究的空調(diào)箱主要由空調(diào)箱殼體、蒸發(fā)器芯體、加熱器芯體和風(fēng)門組件構(gòu)成。工作過程中，氣流通過進(jìn)氣殼體進(jìn)入空調(diào)箱內(nèi)部，隨后流經(jīng)蒸發(fā)器芯體實(shí)現(xiàn)冷卻降溫。冷卻后氣流在溫度風(fēng)門調(diào)節(jié)作用下部分流經(jīng)加熱器芯體實(shí)現(xiàn)升溫，另一部分則旁通至加熱器后部。兩股冷熱氣流在加熱器后部混風(fēng)區(qū)匯聚形成一定溫度后最終由空調(diào)箱出風(fēng)口排出。圖1為該過程截面示意圖。

從圖1可看出，空調(diào)箱出風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)實(shí)際是對(duì)冷熱氣流混合比例的調(diào)節(jié)。其中溫度混合風(fēng)門控制尤為重要，其控制著冷熱風(fēng)的分配比[4]。而最終混風(fēng)的充分程度會(huì)影響出風(fēng)溫度均勻性的好壞。

圖1 空調(diào)箱結(jié)構(gòu)斷面示意圖

1.2 計(jì)算區(qū)域

本文所研究空調(diào)箱從結(jié)構(gòu)上主要可分為進(jìn)氣段、擴(kuò)散段及混風(fēng)段。其中混風(fēng)段對(duì)空調(diào)箱冷熱氣流混風(fēng)效果及出風(fēng)溫度均勻性起著主導(dǎo)作用。在空調(diào)箱內(nèi)部流動(dòng)和換熱過程中，熱量傳遞主要發(fā)生在蒸發(fā)器、加熱器以及風(fēng)門組件之后的混風(fēng)段。其中蒸發(fā)器使得入口流體溫度下降，而加熱器又使得流體溫度得到提升。因此，選取空調(diào)箱混風(fēng)段作為模型計(jì)算區(qū)域，并將擴(kuò)散段及分配箱吹面出風(fēng)面分別作為計(jì)算區(qū)域入口及出口，如圖2所示。

圖2 空調(diào)箱計(jì)算區(qū)域模型示意圖

1.3 CFD模型

本研究使用商用CFD軟件FloEFD來對(duì)汽車空調(diào)箱混風(fēng)區(qū)線性性能的受影響因素進(jìn)行研究。FloEFD使用獨(dú)特的六面體網(wǎng)格結(jié)合浸沒邊界法，與其他工具使用的四面體和棱鏡元素相比，能獲得更精確和更高效率的仿真結(jié)果[5]。它是新一代流體動(dòng)力學(xué)分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三維機(jī)械CAD 環(huán)境中高度工程化的通用流體傳熱分析軟件[6]。

FloEFD求解流體流動(dòng)和傳熱的過程可以歸結(jié)為：把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量場，如速度場和壓力場，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來替代，通過一定的原則和方式建立其關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值[7-9]。

其中主要求解的是流體流動(dòng)的基本方程，即質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。由于本文模擬分析流場處于充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，因此采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε方程如下[10]：

式中：

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；

Gb——由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；

YM——可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；

C1ε，C2ε，C3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

σk——與湍動(dòng)能k對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；

σε——與耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；

Sk，Sε——用戶定義的源項(xiàng)。

1.4 邊界條件

為不失一般性，計(jì)算所用到的空調(diào)箱邊界條件為空氣流動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行工況，見表1?？照{(diào)箱擴(kuò)散段以流量入口作為入口邊界，分配箱吹面出風(fēng)口則設(shè)為壓力出口邊界，同時(shí)空調(diào)箱殼體壁面采用無滑移條件。

另外，對(duì)空調(diào)箱內(nèi)部蒸發(fā)器及加熱器，則通過定義多孔介質(zhì)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)氣流流經(jīng)過程時(shí)的壓降及換熱計(jì)算。由于空調(diào)箱入口的50 l/s流體流量均通過蒸發(fā)器，故可以直接將蒸發(fā)器在50 l/s條件下的流動(dòng)和換熱特性輸入至軟件的多孔介質(zhì)模型中，即壓力損失24.5 Pa和換熱量875 W。表2為加熱器在不同流體流經(jīng)時(shí)的流動(dòng)和換熱特性參數(shù)。

表1 空調(diào)箱計(jì)算模型邊界條件

表2 加熱器參數(shù)設(shè)置

2 計(jì)算與分析

如空調(diào)箱結(jié)構(gòu)斷面示意圖圖1所示，溫度風(fēng)門起到分流過蒸發(fā)器后氣流的作用。被分流氣流一部分經(jīng)蒸發(fā)器后部流道流出，另一部分則經(jīng)加熱器換熱之后通過熱氣流道流出，兩股氣流以一定的對(duì)沖角度及面積進(jìn)行混合，最終由空調(diào)箱出風(fēng)口排出。因此，冷熱氣流流道對(duì)沖角度及面積比無疑會(huì)對(duì)最終混風(fēng)效果起到重要影響。

本文研究中，結(jié)合所開發(fā)空調(diào)箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用最優(yōu)化方法對(duì)冷熱流道對(duì)沖角度、面積比分別選取3個(gè)水平，如表3所示。兩者組合可形成9個(gè)計(jì)算模型，如表4所示。每個(gè)模型在計(jì)算過程中，利用FloEFD軟件具備的參數(shù)化計(jì)算功能，使溫度風(fēng)門由全熱至全冷方向參數(shù)化旋轉(zhuǎn)。結(jié)合本文所研究空調(diào)箱溫度風(fēng)門全熱至全冷總行程為75°，計(jì)算過程中設(shè)置風(fēng)門單步旋轉(zhuǎn)角度為25°。

表3 空調(diào)箱優(yōu)化參數(shù)水平

表4 空調(diào)箱組合參數(shù)計(jì)算模型

考慮本文所研究空調(diào)箱線性設(shè)計(jì)過程中出風(fēng)溫度均勻性能，因此在計(jì)算結(jié)果分析中關(guān)注溫度風(fēng)門中間位置情況下的出風(fēng)口溫度分布情況，即溫度風(fēng)門25°和50°位置情況下的出風(fēng)溫度表現(xiàn)，以保證與客戶實(shí)際使用相匹配。

9個(gè)計(jì)算模型CFD最終結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹?，模型3在兩個(gè)風(fēng)門計(jì)算位置上出風(fēng)面溫差最優(yōu)，說明該模型所對(duì)應(yīng)的冷熱流道對(duì)沖角度及流道面積比參數(shù)對(duì)所研究空調(diào)箱而言最為理想。而這一點(diǎn)從各模型在兩個(gè)計(jì)算風(fēng)門位置上的最終出風(fēng)面溫度云圖中也得到印證，見圖4。

圖3 空調(diào)箱出風(fēng)溫度均勻度結(jié)果

圖4 空調(diào)箱出風(fēng)口溫度云圖

與圖3相類似的，圖4中(a)是溫度風(fēng)門25°位置情況下各模型出風(fēng)口溫度云圖分布情況，而(b)則是溫度風(fēng)門50°位置情況下各模型出風(fēng)口溫度分布。從中不難看出，模型3較其它模型存在更為均勻的溫度分布，這一點(diǎn)在空調(diào)箱出風(fēng)口左右兩側(cè)區(qū)域更為突出。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合CFD虛擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)所研究空調(diào)箱分配箱內(nèi)部冷熱流道面積比及流道對(duì)沖角度進(jìn)行設(shè)計(jì)定型、制作樣件并安排測試。試驗(yàn)過程中，空調(diào)箱進(jìn)氣氣流溫度維持在0 ℃，加熱器內(nèi)部通以90 ℃冷卻液，從而模擬實(shí)車使用中空調(diào)箱內(nèi)部冷、熱源的產(chǎn)生。通過調(diào)節(jié)溫度風(fēng)門開度，便可實(shí)現(xiàn)空調(diào)箱出風(fēng)溫度的冷熱調(diào)節(jié)。為了驗(yàn)證空調(diào)箱出風(fēng)溫度線性均勻性，在各出風(fēng)口面上各布置4個(gè)熱電偶，其所測得平均溫度代表各風(fēng)口出風(fēng)平均溫度。如此，整個(gè)風(fēng)門調(diào)節(jié)過程中，通過監(jiān)測各風(fēng)口間平均出風(fēng)溫度差便可判斷出風(fēng)溫度線性度水平。圖5為空調(diào)箱樣件在吹面吹腳出風(fēng)模式下各吹面風(fēng)口溫度線性實(shí)測性能數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，在35%到65%這段典型吹面吹腳出風(fēng)模式溫控區(qū)間內(nèi)，四個(gè)吹面風(fēng)口之間最大溫差控制在4 ℃以內(nèi)，達(dá)到了溫度線性設(shè)計(jì)要求，同時(shí)與虛擬設(shè)計(jì)階段CFD結(jié)果基本保持一致。

圖5 空調(diào)箱吹面出風(fēng)口溫度線性數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文基于FloEFD CFD軟件對(duì)空調(diào)箱線性設(shè)計(jì)過程中出風(fēng)溫度均勻性能進(jìn)行了參數(shù)化仿真研究。通過改變空調(diào)箱冷熱流道對(duì)沖角度及面積比組合參數(shù)進(jìn)行CFD研究確認(rèn)相關(guān)參數(shù)最優(yōu)組合，最終明確所研究空調(diào)箱最優(yōu)的冷熱流道對(duì)沖角度及面積比分別為120°和39%。

同時(shí)，可以看到FloEFD軟件所具備的參數(shù)化計(jì)算功能在本研究中也充分體現(xiàn)了其高效的優(yōu)勢。也正是基于FloEFD這方面的優(yōu)勢，本研究中空調(diào)箱線性性能開發(fā)工作效率及周期獲得了極大提升，達(dá)到設(shè)計(jì)目的的同時(shí)降低了開發(fā)成本。

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HVAC Module Temperature Linearity Design based on FloEFD Software

LU Ping*1, LI Bo2, ZHOU Zi-feng1, QIAN Rui1
(1-Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201, China; 2-Mentor Graphics (Shanghai) Electronic Technology Co., Ltd Shanghai 20120, China)

Based on the FloEFD computational fluid dynamics (CFD) simulation software, a parameterized simulation study of outlet temperature homogeneity performance during HVAC module temperature linearity design process is performed. Through adjusting the HVAC module internal air passage parameters and CFD analysis, on optimal air flow cross angle and section area ratio between hot and cold air passage is confirmed, which ensures HVAC module optimal air mixture effect and outlet temperature uniformity. This study has great significance to the design of HVAC module temperature linearity design.

Computer fluid dynamics (CFD); HVAC Module; Linearity

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.208

*陸平（1981-），男，碩士。研究方向：汽車空調(diào)系統(tǒng)。聯(lián)系地址：上海龍東大道3999號(hào)，郵編：201201。聯(lián)系電話：021-50165437，E-mail：ping_lu@patac.com.cn