基于CFD分析對汽車吹足風(fēng)道設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張偉利，劉國平（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

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基于CFD分析對汽車吹足風(fēng)道設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張偉利，劉國平
（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

摘要：文章基于利用CFD軟件對汽車空調(diào)吹足風(fēng)道的風(fēng)速及出風(fēng)角度對各乘員足部感知溫度進行分析，從而確認(rèn)吹足風(fēng)道的設(shè)計結(jié)構(gòu)是否合理，對分析結(jié)果進行總結(jié)，提出汽車空調(diào)吹足風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)注意事項，為汽車空調(diào)吹足風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：CFD；汽車空調(diào)；風(fēng)道設(shè)計；優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-95-03

前言

隨著汽車空調(diào)知識的普及空調(diào)新技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，人們對汽車空調(diào)舒適性的要求越來越高，吹面風(fēng)道、吹足風(fēng)道作為空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道重要組成部分，其中吹足風(fēng)道以往設(shè)計關(guān)注較少，造成對于車內(nèi)各成員腳部左右腳感知溫度不均、風(fēng)量分配不合理，導(dǎo)致整車采暖能力無法滿足GB/T 12782-2007性能要求。本文以某款SUV車型吹腳風(fēng)道設(shè)計為例，并借用CFD流體分析軟件工具，對吹足風(fēng)道進行CFD分析，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。并結(jié)合整車吹足風(fēng)道試驗測試，兩者對比分析，提出對吹足風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，以對吹足風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)提供借鑒，降低后續(xù)反復(fù)試驗驗證，縮短吹足風(fēng)道的產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)周期。

1、汽車吹足風(fēng)道布置

圖1　吹足風(fēng)道布置位置

汽車吹足風(fēng)道一般分為前排吹足風(fēng)道、后排吹足風(fēng)道（如圖1），其中前排吹足風(fēng)道受前排布置空間限制，一般集成在HVAC上，后排吹足風(fēng)道通過中間一組過渡風(fēng)道布置在車身地板上，以將鼓風(fēng)機風(fēng)量通過后排吹足風(fēng)道送至后排乘員乘坐位置。

2、吹足風(fēng)道設(shè)計

2.1截面積要求

吹足風(fēng)道截面積建議應(yīng)滿足如下條件：

1) 在垂直于流向的方向上測量風(fēng)道的橫截面積；

2) 當(dāng)風(fēng)道有兩個或多個分支時，截面積按照比例進行分配；

3) 風(fēng)道的截面避免突變。

前排吹腳風(fēng)道在車廂每側(cè)一般有1個或2個風(fēng)口，如下圖所示。

圖2

3.2彎曲半徑

在風(fēng)道的彎曲處，必須有足夠大的彎曲半徑，以減少吹足風(fēng)道的壓力損失。應(yīng)使風(fēng)道的彎曲數(shù)量最小，拐角半徑最大。彎曲半徑應(yīng)至少等于風(fēng)道彎曲處的寬度，否則風(fēng)道內(nèi)部易產(chǎn)生渦流。

3.3吹風(fēng)位置

針對不同車型，吹足風(fēng)道出風(fēng)口形式及位置不同，但需覆蓋主副駕駛腳部活動空間區(qū)域，2個及以上風(fēng)口的應(yīng)盡量覆蓋至主副駕駛腳面（以95％假人為例）。

3.4風(fēng)速及風(fēng)口均勻性

駕駛員與副駕駛足部的氣流風(fēng)速建議大于2m/s,出風(fēng)口均勻度大于50％。

4、風(fēng)道CFD分析驗證

按照設(shè)計要求，將吹足風(fēng)道數(shù)據(jù)輸入CFD軟件進行驗證：

4.1吹腳風(fēng)道風(fēng)量分配滿足設(shè)計要求（前排）

圖3　吹腳計算域模型

設(shè)計目標(biāo)如表1：

表1　設(shè)計目標(biāo)

利用Hyper Mesh及Star CCM+建立網(wǎng)格及模型設(shè)計（模型如圖3所示），通過對模型參數(shù)進行邊界條件設(shè)置、求解器模型設(shè)定：三維、穩(wěn)態(tài)、K-E湍流模型等。

分析工況如表2：

表2　分析工況

輸出CFD計算結(jié)果如下：

表3　計算結(jié)果

對于CFD軟件分析計算結(jié)果，主駕駛側(cè)風(fēng)量分配為31.0％，副駕駛側(cè)風(fēng)量分配為29.5％，目標(biāo)值為30±3％，滿足設(shè)計要求，見表3。

4.2腳風(fēng)道吹風(fēng)位置/吹腳風(fēng)道風(fēng)速

圖4　主副駕駛側(cè)吹風(fēng)位置

從圖4為主副駕駛側(cè)足部位置氣流分布情況，讀取為風(fēng)速在2m/s所覆蓋的區(qū)域，均能覆蓋至主副駕駛員足部腳面位置，能夠滿足設(shè)計要求，保證整車采暖需求。

圖5　足部氣流分布

圖5表示吹腳風(fēng)道整體氣流分布速度云圖，通過此云圖可以更加直觀的確認(rèn)出風(fēng)口風(fēng)速所在范圍及出風(fēng)位置。

4.3風(fēng)口均勻性驗證

根據(jù)CFD分析模型，讀取吹腳風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速均勻性。

圖6　主副駕足部出風(fēng)口均勻性云圖

主副駕駛出風(fēng)口平均風(fēng)速分別為3.94m/s、3.31m/s

表4　

根據(jù)分析結(jié)果，出風(fēng)口均勻度滿足設(shè)計要求。

以上分析為根據(jù)設(shè)計數(shù)模為調(diào)整吹足風(fēng)道截面積、導(dǎo)流片等分析的最終結(jié)果，結(jié)合設(shè)計要求，通過計算分析及局部優(yōu)化，達到最優(yōu)方案，最終滿足設(shè)計需求；以上結(jié)果分析，按照GB/T 12782-2007 汽車采暖性能要求和試驗方法，通過實車采暖試驗，滿足整車采暖需求。

5、結(jié)論

吹足風(fēng)道設(shè)計初期，在滿足整車總布置要求的情況下，風(fēng)道設(shè)計建議遵循本文吹足風(fēng)道設(shè)計相關(guān)要求，從吹足風(fēng)道截面積、彎曲半徑、導(dǎo)流片等方面優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時制定吹足風(fēng)道風(fēng)速、出風(fēng)位置、風(fēng)量分配、均勻度的評價指標(biāo)，通過CFD分析校核，可以大大縮短開發(fā)周期，以滿足設(shè)計者及車型性能指標(biāo)要求。

參考文獻

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To Optimize the Automobile Blow-foot Air Duct Design Structure Based on CFD Analysis

Zhang Weili, Liu Guoping
（R&D Center of Great Wall Motor Company, Automotive Engineering Technical Center of HeBei, HeBei Baoding 071000）

Abstract:Via the software CFD to analyze the wind speed of the vehicle AC blow-foot air duct andfeet temperature-aware under different air vent angle, thus verifying whether the design structure of the blow-foot air duct is rational, and putting f orward some relevant attentions regarding blow-foot air duct structural design through the analysis result summary, thereby providing more reference for the vehicle AC blow-foot air duct structure design.

Keywords:CFD; vehicle AC; air duct design; optimization

中圖分類號：U463.8

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-95-03

作者簡介：張偉利，就職于長城汽車股份有限公司技術(shù)中心。