客車空調(diào)冷凝器數(shù)值分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

章嵩松

(上海加冷松芝汽車空調(diào)股份有限公司，上海 201100)

隨著客車技術(shù)的發(fā)展，對客車空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能的要求越來越高［1］。蒸發(fā)器和冷凝器是空調(diào)的重要組成部分，而空氣側(cè)氣流分布的均勻性是影響其性能的重要因素之一［2－4］。

關(guān)于換熱器性能與氣流均布性的研究［5－10］有很多，而采用CFD技術(shù)已經(jīng)成為一種重要的手段。本文利用Fluent軟件對某客車空調(diào)冷凝器的氣流分布進行分析，利用風速相對偏差均值作為氣流均布性的評價標準，在此基礎(chǔ)上提出不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，以改善芯體的氣流均布性。

1 原方案模擬計算

1.1 建立模型

該冷凝器雙側(cè)對稱，故對冷凝器的一側(cè)建立1∶1的二維模型并進行模擬計算，一方面減小計算量，另一方面有利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大大縮短設(shè)計周期。在模型簡化中，盡量保留對內(nèi)部流場產(chǎn)生影響的內(nèi)置構(gòu)件，如風機殼、芯體支架、導(dǎo)流肋等。簡化的冷凝器二維模型如圖1所示(圖中尺寸單位為mm)，其中風機采用送風的形式，長度為160 mm，出風口半徑為810 mm，弧長為390 mm，導(dǎo)流肋與芯體支架間距L=280 mm，導(dǎo)流肋高度h=25 mm，跨度為60 mm，采用管片式芯體，芯體管為6排24列。

圖1 簡化的冷凝器二維模型圖

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

模型采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為2 mm，芯體區(qū)域網(wǎng)格進行加密處理，芯體管周圍建立5層邊界層，層高為0.1 mm，網(wǎng)格總數(shù)為89 257個，節(jié)點總數(shù)為84 307個。風機送風口采用速度進口，均勻送風，風速為7～15 m/s，采用標準κ－ε雙方程湍流模型，湍流強度為4%。出風口采用壓力出口，表壓為0 Pa。芯體管采用wall壁面邊界條件。

1.3 模擬結(jié)果與分析

在每排相鄰芯體管之間提取計算點考察冷凝器內(nèi)部氣流的均布性。計算點布置如圖2所示，芯體管排數(shù)用N表示，共6排，每排23個計算點，計算點1～8位于芯體上端，計算點9～16位于芯體中端，計算點17～23位于芯體下端。氣流均布性的評判標準有多種［11］，本文采用風速相對偏差δi及其均值δ來表示，分別考察不同N下各計算點的風速分布，公式為:

圖2 計算點布置圖

不同工況下各計算點的風速分布結(jié)果如圖3所示。圖3(a)中，對于大部分計算點，風速的增加會導(dǎo)致相對偏差增大，氣流均布性降低。計算點1～4、10～15相對偏差很大，說明芯體上端和中端氣流分布很不均勻，上端風速偏小，中端風速偏大;芯體下端各計算點相對偏差較小，說明其風速分布比較均勻。圖3(b)中芯體上端計算點1、4、5相對偏差差異性較小，2、3差異性較大，說明芯體上端流場較復(fù)雜，風速分布的均勻性較差。

圖3(b)中當N=4時，總體上相對偏差均值最大，達到40.0%，結(jié)合圖3(a)，后續(xù)的流場優(yōu)化方案考察進口風速15 m/s、芯體管N=4條件下各計算點的風速分布。

圖4為進口風速15 m/s冷凝器流場速度云圖，其中風機殼和導(dǎo)流肋對流場影響較大，風機殼的存在導(dǎo)致芯體上端存在負壓區(qū)，氣流在芯體管周圍形成了漩渦，導(dǎo)致風速偏低，管內(nèi)制冷劑不能得到充分利用，嚴重影響其換熱效率，需要進行優(yōu)化。導(dǎo)流肋位于冷凝器內(nèi)部風速較大的區(qū)域，迫使氣流由芯體下端轉(zhuǎn)向芯體中端。

圖3 不同工況下各計算點相對偏差對比

圖4 進口風速15 m/s冷凝器流場速度云圖

通過對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)冷凝器芯體氣流分布的均勻性較差，需要結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善其氣流組織，提高氣流分布的均勻性。

2 優(yōu)化方案一

只對冷凝器底殼部分進行改進，分別考察其導(dǎo)流肋與芯體支架間距L、導(dǎo)流肋的高度h對提升氣流均布性的影響。

2.1 改變冷凝器底殼中導(dǎo)流肋的位置

原冷凝器其他參數(shù)保持不變，只改變其底殼中導(dǎo)流肋與芯體支架的間距L，分為兩種情況:一種是增大，L分別為280 mm(原結(jié)構(gòu))、320 mm、360 mm、400 mm、440 mm、480 mm、520 mm、560 mm;另一種是減小，L分別為 280 mm、240 mm、200 mm、160 mm、120 mm、80 mm。計算冷凝器內(nèi)部氣流分布情況。

計算結(jié)果如圖5所示，圖5(a)中，當L由280 mm增至480 mm時，芯體上端風速增加，中端風速降低，下端風速基本不變，整體風速均布性提高，當L=440 mm時，相對偏差均值最小，達到25.5%;當L增至480 mm以后，芯體下端風速急劇增加，整體風速均布性降低。圖5(b)中，隨著L的減小，芯體上端、中端風速減小，下端風速增加，導(dǎo)流肋的導(dǎo)流作用越來越弱，相對偏差均值增大，嚴重降低了風速分布的均勻性。

圖5 導(dǎo)流肋不同位置氣流均布性對比

總結(jié)來看，增加L有利于提升氣流均布性，當L為440 mm時，氣流的均布性最好，相對于原結(jié)構(gòu)，氣流均布性提升36.3%。

2.2 改變冷凝器中導(dǎo)流肋的高度

原冷凝器其他參數(shù)保持不變，只改變其底殼中導(dǎo)流肋的高度 h，使 h分別為 5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm(原結(jié)構(gòu))、30 mm、35 mm。計算冷凝器內(nèi)部氣流分布情況。

計算結(jié)果如圖6所示，當h由25 mm減小至5 mm，芯體上端風速降低，下端風速增加，相對偏差平均值一直增加，氣流的均布性降低;當h由25 mm增加至30 mm，芯體中端風速增加，下端風速降低，氣流均布性基本不變;當h增加至30 mm以后，芯體中端風速偏大，下端風速偏小，氣流均布性降低。與原結(jié)構(gòu)相比，只改變導(dǎo)流肋的高度h對提升氣流均布性效果不明顯。

圖6 導(dǎo)流肋不同高度氣流均布性對比

綜上，優(yōu)化方案一中通過增加導(dǎo)流肋與芯體支架的間距L可以有效提升原冷凝器氣流的均布性，當L=440 mm時，效果最佳，而只改變導(dǎo)流肋的高度h對提升氣流均布性效果不明顯。

3 優(yōu)化方案二

原冷凝器底殼不變，在風機下方添加導(dǎo)流板，其幾何模型如圖7所示(圖中尺寸單位為mm)，其中導(dǎo)流板由平板和圓弧構(gòu)成，平板長度為40 mm，圓弧半徑為36 mm，平板相對于底殼的高度為H。在原冷凝器和導(dǎo)流板其他參數(shù)不變的情況下，只改變導(dǎo)流板的高度H，使H 分別為30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm。計算冷凝器內(nèi)部氣流分布情況。

圖7 導(dǎo)流板模型圖

計算結(jié)果顯示:當H＜50 mm時，芯體中端風速偏大，氣流整體均布性較差;當H＞70 mm時，導(dǎo)流板會擋風，導(dǎo)致芯體上端局部風速偏低，氣流均布性也會變差;當50 mm≤H≤70 mm，導(dǎo)流板導(dǎo)流作用較好，減弱了原結(jié)構(gòu)中芯體上端風速偏低，中端風速偏高的程度，氣流整體的均布性得到了提高，其中，當H=60 mm時，如圖8所示，氣流均布性最好，相對偏差均值為23.0%，與原結(jié)構(gòu)相比，氣流均布性提升了42.5%。

圖8 導(dǎo)流板不同高度氣流均布性對比

總體來看，優(yōu)化方案二中添加導(dǎo)流板，可以有效提升原冷凝器氣流的均布性，同時，當導(dǎo)流板的高度H=60 mm時，效果最佳。

4 優(yōu)化方案三

采用正交設(shè)計方法對方案一、方案二的結(jié)合進行分析，所選因素包括導(dǎo)流肋相對位置L、導(dǎo)流肋的高度h、導(dǎo)流板的高度H。添加導(dǎo)流板后，原冷凝器內(nèi)部流場改變，導(dǎo)流肋相對位置L和導(dǎo)流肋的高度h的水平范圍需要重新計算，所選用的因素與水平見表1。

表1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化因素水平表 mm

從表3可以看出，各因素對氣流均布的影響程度導(dǎo)流肋高度＞導(dǎo)流板高度＞導(dǎo)流肋位置;從表2相對偏差均值可以看出，提高原冷凝器氣流均布的最優(yōu)方案為實驗7，即最佳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是導(dǎo)流肋相對位置L為440 mm、導(dǎo)流肋高度為20 mm、導(dǎo)流板高度為70 mm，此組合下氣流分布的相對偏差均值為15.2%，相比較于原冷凝器，氣流均布性提高62.0%。

表2 正交實驗方案和計算表

表3 試驗結(jié)果極差分析表 %

5 結(jié)束語

通過CFD技術(shù)與正交設(shè)計方法相結(jié)合，對客車空調(diào)冷凝器原方案進行了數(shù)值分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過改變導(dǎo)流肋的位置、導(dǎo)流肋的高度以及導(dǎo)流板的高度得到3種方案，其中最佳的優(yōu)化方案使得風速相對偏差均值由原方案的40.0%降低至15.2%。采用CFD技術(shù)與正交設(shè)計方法相結(jié)合，可以對客車空調(diào)冷凝器的多種結(jié)構(gòu)特征進行設(shè)計與優(yōu)化，大大縮短項目的開發(fā)周期。

修改稿日期:2018－04－03