某重型載貨車空調(diào)系統(tǒng)CFD分析與優(yōu)化

呂東　陳濤　郝勇　王永康

本文針對(duì)某重型載貨車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行流態(tài)仿真數(shù)值分析。計(jì)算結(jié)果顯示，原始方案的出風(fēng)口氣流流量分配不合理，主駕駛員側(cè)的熱舒適性較差?；诖藢?duì)空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行改進(jìn)，在風(fēng)道出口附近增加內(nèi)部導(dǎo)流板并進(jìn)行優(yōu)化，有效地改善了出風(fēng)口的氣流分布，使風(fēng)量分配更加均勻，明顯提高了駕駛室的舒適性。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，人們對(duì)汽車性能以及舒適性的要求也逐步提高，因此空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得至關(guān)重要。車廂內(nèi)部空間有限且封閉，空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)于氣流布局的合理性將直接影響駕乘人員的身心健康，合適的溫、濕度和新鮮的空氣會(huì)緩解駕駛員的疲勞，提高行車安全性。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在汽車空氣動(dòng)力學(xué)方向開創(chuàng)了新的研究方法，能夠真實(shí)有效地模擬氣流流動(dòng)并快速獲取流動(dòng)特性參數(shù)，分析氣流布局的合理性，進(jìn)而對(duì)空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。20世紀(jì)90年代，Yamamot對(duì)卡車駕駛艙進(jìn)行了簡(jiǎn)單的流場(chǎng)數(shù)值模擬，同時(shí)編寫了用于評(píng)價(jià)熱舒適性的程序。通過對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)吻合性良好。2007年，安徽江淮汽車公司的霍長(zhǎng)宏等人基于CFD方法對(duì)某輕卡駕駛室除霜風(fēng)道出口流量分配、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了分析，并對(duì)風(fēng)道進(jìn)行了改進(jìn)。2011年，蘆克龍，谷正氣等人對(duì)某重型貨車空調(diào)系統(tǒng)及駕駛室氣流分布進(jìn)行了仿真計(jì)算，并與試驗(yàn)值對(duì)比，針對(duì)風(fēng)量分配不均的問題對(duì)風(fēng)道進(jìn)行了改進(jìn)。在對(duì)載貨車空調(diào)的研究中，大部分學(xué)者側(cè)重于通過調(diào)整結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行改進(jìn)，并未系統(tǒng)地采取更為詳細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诖耍髡邔⒋倪M(jìn)結(jié)構(gòu)定義設(shè)計(jì)變量，并取40組樣本進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到更加合理的優(yōu)化結(jié)果。

本文采用STAR-CCM+軟件，對(duì)某重型載貨車的空調(diào)吹面風(fēng)道進(jìn)行流態(tài)數(shù)值模擬，得到出風(fēng)口的流量分布，并與實(shí)車測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而分析流量分布的合理性，實(shí)施優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，提高了駕駛室的舒適性。

一、空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)CFD模型

汽車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)主要由風(fēng)道和出口格柵等構(gòu)成，按其作用可以分為吹面風(fēng)道、吹腳風(fēng)道和吹窗風(fēng)道。一般情況下，各風(fēng)道之間相互獨(dú)立，根據(jù)風(fēng)道功能及其組合便可組成不同的工作模式。通過用戶反饋和前期分析得知某重型載貨車主副駕駛室熱舒適性差別較大，同時(shí)考慮到吹面風(fēng)道質(zhì)量流量較大，對(duì)駕駛室熱舒適性起主導(dǎo)作用，故只針對(duì)吹面風(fēng)道進(jìn)行建模分析和優(yōu)化。

1.物理模型

本文采用實(shí)車1：1比例模型，空調(diào)吹面風(fēng)道由1個(gè)入口和6個(gè)出風(fēng)口組成，其中駕駛側(cè)為出風(fēng)口1，副駕駛側(cè)為出風(fēng)口6，三維幾何模型如圖l所示。由于駕駛室的熱舒適性取決于各出風(fēng)口風(fēng)量，所以通過計(jì)算各出風(fēng)口的流量，并根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)修改風(fēng)道的形狀，以對(duì)流量分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.力學(xué)模型及控制方程

由于管道入口平均流速為7.96，Ma-v/c=0.023，馬赫數(shù)較小，認(rèn)為流體密度為常數(shù)；弗勞德數(shù)較小，忽略重力的影響。從入口到出口，整個(gè)過程中熱量損失較少，不考慮溫度的影響。由于只關(guān)注風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)在最大功率下穩(wěn)定狀態(tài)的風(fēng)量分配，所以流動(dòng)近似穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。基于以上條件，從圖1中可看出風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式是不規(guī)則的，氣流在風(fēng)道系統(tǒng)中以復(fù)雜的湍流形式運(yùn)動(dòng)，對(duì)湍流的處理采用不可壓縮流體的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型為半經(jīng)驗(yàn)公式，其中湍流動(dòng)能ε方程是精確方程，而湍流耗散率ε方程是由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)將入口設(shè)置為質(zhì)量入口，出口設(shè)置為壓力出口，相關(guān)邊界條件及相應(yīng)參數(shù)輸入如表l所示。

3.求解、網(wǎng)格、算法設(shè)置

CFD網(wǎng)格模型如圖2所示，選用simple算法求解，采用一階迎風(fēng)離散格式。

二、空調(diào)風(fēng)道仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

本節(jié)對(duì)空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)口的流量分布計(jì)算結(jié)果與實(shí)車測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.出風(fēng)口流量試驗(yàn)與仿真對(duì)比

考慮到優(yōu)化所需循環(huán)迭代次數(shù)較多，為了提高計(jì)算效率，減少網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)于吹面風(fēng)道CFD模型進(jìn)行了兩種處理，第一種是有出口格柵的風(fēng)道模型；第二種是去掉出口格柵的風(fēng)道模型。使用德圖多功能風(fēng)速計(jì)對(duì)實(shí)車空調(diào)出風(fēng)口進(jìn)行風(fēng)量測(cè)試，該風(fēng)速計(jì)測(cè)試精度可達(dá)2%，并滿足EC標(biāo)準(zhǔn)（90/336/EEC）的要求。將測(cè)試數(shù)據(jù)與CFD仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)量分配對(duì)比，以測(cè)試數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，有出口格柵的風(fēng)道CFD仿真數(shù)據(jù)與其對(duì)比誤差在5%以內(nèi)，去掉出口格柵的風(fēng)道模型誤差最大可達(dá)24%，可見有格柵模型出風(fēng)效果更符合實(shí)際。所以有出口格柵的風(fēng)道CFD模型更準(zhǔn)確，可以用于優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.結(jié)果分析

通過計(jì)算可以得到風(fēng)道流態(tài)仿真結(jié)果，從而得到各出風(fēng)口以及駕駛室各區(qū)域的流量分布分配。圖3、圖4分別給出了原結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)表面靜壓云圖和內(nèi)部速度流線圖。從圖5可看出風(fēng)道內(nèi)表面靜壓分布較均勻，分風(fēng)拐角處高低壓差較大，3、4出風(fēng)口靜壓差較大。從圖4可看出1、2，6出風(fēng)口流量分配較合理，5口流量略小，3口較4口流量明顯偏小。各出風(fēng)口流量分布不均勻，部分達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，主要是3、4出風(fēng)口風(fēng)量比例相差較大，4口較3口大60%，主駕駛側(cè)流量較副駕駛側(cè)偏小27%。對(duì)于重型載貨車，主駕駛員為熱舒適性的主要評(píng)價(jià)者，因此在保證駕駛室整體熱舒適性較均勻的前提下，應(yīng)盡量使駕駛員側(cè)風(fēng)量大于副駕駛側(cè)。

通過對(duì)原風(fēng)道結(jié)構(gòu)以及靜壓圖和速度流線圖的分析可知，造成流量分配不均勻的因素主要有兩個(gè)：4出風(fēng)口在風(fēng)道主線上，而3出風(fēng)口偏離主線，6出風(fēng)口導(dǎo)流結(jié)構(gòu)不合理。為了使流場(chǎng)分布更合理，從而改善駕駛室的熱舒適性，需要對(duì)原空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.優(yōu)化分析

根據(jù)之前的分析，氣流分布不均主要由3、4出風(fēng)口分配不合理造成，為了改進(jìn)送風(fēng)效果，以主、副駕駛側(cè)風(fēng)量相等為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)口處導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖5所示，給出以下兩個(gè)優(yōu)化方案。

方案一：針對(duì)3、4出風(fēng)口管道兩側(cè)壁面進(jìn)行橫向尺寸變化的DOE分析。

方案二：在3、4出風(fēng)口處根據(jù)管道中線增加導(dǎo)流板并對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

取方案中計(jì)算結(jié)果顯示效果最佳的一組數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析，改善的效果不佳，主駕駛側(cè)流量只提高了3個(gè)百分點(diǎn)，可見只改變3、4出口管道兩側(cè)壁面橫向尺寸不足以改善風(fēng)量分配比，這是因?yàn)?、4出風(fēng)口的氣流得不到有效的控制，故方案一不可行。而方案二中只在3、4出口處增加一塊導(dǎo)流板后，3口流量增大，主駕駛側(cè)流量比副駕駛側(cè)大18%，明顯地改善了風(fēng)量分配，因此可以在方案二的基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

將待優(yōu)化處結(jié)構(gòu)設(shè)置為浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，布置控制點(diǎn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的定義并完成參數(shù)優(yōu)化，取40組計(jì)算結(jié)果，選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖6對(duì)優(yōu)化前后各出風(fēng)口流量的分配比數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行直觀的表現(xiàn)。圖7、圖8分別為優(yōu)化后結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)表面靜壓云圖和內(nèi)部速度流線圖，從圖7可看出風(fēng)道內(nèi)表面靜壓分布較均勻，3、4出風(fēng)口靜壓差降低。從圖10可看出1、2和5、6出風(fēng)口流量分配均較合理，3、4出風(fēng)口流量明顯得到改善，基本相等?？梢?、4出風(fēng)口處導(dǎo)流板裝置可以約束氣流流向，通過優(yōu)化其位置達(dá)到控制氣流分配的目的，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析該方案能滿足分配要求，使各出風(fēng)口風(fēng)量均勻且主駕駛側(cè)風(fēng)量偏大，且精度達(dá)到16.67%±3%，主駕駛側(cè)的流量總量提高10%，主駕駛側(cè)流量比副駕駛側(cè)大8%。

三、結(jié)論

本文主要針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)原結(jié)構(gòu)的熱舒適性缺陷進(jìn)行了優(yōu)化方案的確定及設(shè)計(jì)。最終方案很好地解決了空調(diào)出風(fēng)口氣流分配不均勻的問題，改善了駕駛室內(nèi)部的氣流布局，為重型載貨車駕駛員提供了一個(gè)更好的駕乘環(huán)境，也為汽車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有效的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段。