CFD分析在空調(diào)除霜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

田貴彬，時(shí) 辰

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車(chē)空調(diào)的除霜系統(tǒng)對(duì)整車(chē)品質(zhì)有重要影響，除霜系統(tǒng)的好壞影響到車(chē)輛在行駛中是否對(duì)駕駛員有視線(xiàn)干擾，造成行駛的危險(xiǎn)。在除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)用到CFD分析，CFD分析能對(duì)除霜風(fēng)道的風(fēng)量、壁噪、風(fēng)向等條件進(jìn)行解析、整合，從而設(shè)計(jì)出最適合車(chē)輛的除霜風(fēng)道。下面針對(duì)某輕型客車(chē)在設(shè)計(jì)除霜風(fēng)道過(guò)程中用到的CFD分析對(duì)除霜風(fēng)道的設(shè)計(jì)和CFD分析的應(yīng)用進(jìn)行淺析。

1 條件輸入

條件輸入包括三維數(shù)據(jù)、風(fēng)量分配要求、空調(diào)主機(jī)總風(fēng)量、空調(diào)主機(jī)芯體參數(shù)等。

1.1 參數(shù)輸入

除霜風(fēng)道的CFD分析需求的參數(shù)包括暖風(fēng)芯體風(fēng)阻、蒸發(fā)器芯體風(fēng)阻、HVAC在全熱除霜時(shí)的總風(fēng)量，參數(shù)的輸入用于計(jì)算風(fēng)量的流量、大小、風(fēng)量分配等。暖風(fēng)芯體參數(shù)見(jiàn)表1，蒸發(fā)器芯體參數(shù)見(jiàn)表2，空調(diào)主機(jī)參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 暖風(fēng)芯體參數(shù)

表2 蒸發(fā)器芯體參數(shù)

表3 空調(diào)主機(jī)參數(shù)

1.2 三維數(shù)模輸入

三維數(shù)模的輸入包括IP、前擋風(fēng)玻璃、初版風(fēng)道、HVAC等數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)中需包含A區(qū)、A′區(qū)、B區(qū)、駕駛員視野區(qū)域等參數(shù)。圖1為IP+前擋玻璃示意圖，圖2為風(fēng)道圖。

圖1 IP+前擋玻璃

圖2 風(fēng)道

2 輸出分析報(bào)告

2.1 風(fēng)量分配優(yōu)化

風(fēng)量分配在除霜中有著重要作用，合理分配除霜風(fēng)量對(duì)除霜性能的好壞有直接影響，特別是側(cè)除霜關(guān)系到駕駛員的后視鏡視野區(qū)域，關(guān)系到駕駛員的安全駕駛性。優(yōu)化前后的風(fēng)量分配見(jiàn)圖3，優(yōu)化分析結(jié)果見(jiàn)表4。

圖3 優(yōu)化前后的風(fēng)量分配

表4 風(fēng)量分配優(yōu)化分析結(jié)果

由圖3和表4中可以看出：①優(yōu)化前，除霜各出風(fēng)口中間風(fēng)量大于設(shè)計(jì)目標(biāo)，兩側(cè)風(fēng)量小于設(shè)計(jì)目標(biāo)，流量分配不滿(mǎn)足要求。②優(yōu)化后，側(cè)除霜風(fēng)量滿(mǎn)足要求，主駕前擋出口風(fēng)量略大；在除霜風(fēng)道內(nèi)增加了導(dǎo)向側(cè)除霜風(fēng)道的通風(fēng)道，壓損增加了約24.7 Pa；③側(cè)除霜的風(fēng)量分配大小取決于車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的升溫速率，若升溫較慢，可取8%到10%的風(fēng)量分配。

2.2 前擋風(fēng)玻璃速度云圖

圖4中空缺部分為風(fēng)速＞1.5 m／s區(qū)域。由圖4中可見(jiàn)：優(yōu)化前，前擋玻璃表面A區(qū)區(qū)域風(fēng)速較低，A′區(qū)區(qū)域風(fēng)速較低；優(yōu)化后，A區(qū)、A′區(qū)的玻璃表面風(fēng)速均大于1.5 m／s，B區(qū)風(fēng)速也得到明顯改善。

圖4 優(yōu)化前后玻璃表面速度云圖 （1.5 m／s參考）

通常情況下，汽油機(jī)除霜前擋玻璃采用1.5 m／s風(fēng)速作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，可以滿(mǎn)足除霜國(guó)標(biāo)要求，柴油機(jī)由于溫升較慢，會(huì)參考2.0 m／s風(fēng)速分布進(jìn)行判斷，見(jiàn)圖5。

圖5 優(yōu)化前后玻璃表面速度云圖 （2.0 m／s參考）

圖5 中空缺部分為風(fēng)速＞2.0 m／s區(qū)域。參考2.0 m／s的風(fēng)速可以發(fā)現(xiàn)：在優(yōu)化前，除霜風(fēng)量小于2.0 m／s的區(qū)域在A區(qū)A′區(qū)占據(jù)太多；優(yōu)化后，A區(qū)、A′區(qū)的玻璃表面風(fēng)速基本大于2.0 m／s，B區(qū)風(fēng)速也得到明顯改善。

根據(jù)優(yōu)化后前擋玻璃表面1.5 m／s、2.0 m／s風(fēng)速分布來(lái)看，優(yōu)化后，可以滿(mǎn)足除霜要求。

2.3 側(cè)窗玻璃速度云圖

圖6中空缺部分為風(fēng)速＞1.5 m／s區(qū)域。優(yōu)化前，側(cè)窗玻璃指定除霜區(qū)域 （即駕駛員后視鏡視野區(qū)域）表面風(fēng)速較低，除霜效果差，不能滿(mǎn)足要求；優(yōu)化后，側(cè)窗玻璃指定除霜區(qū)域表面風(fēng)速基本大于1.5 m／s，風(fēng)速分布較合理。

圖7中空缺部分為風(fēng)速＞2.0 m／s區(qū)域。優(yōu)化后，側(cè)玻璃指定除霜區(qū)域表面風(fēng)速基本大于1.5 m／s，2.0 m／s風(fēng)速區(qū)域較小。根據(jù)以往分析經(jīng)驗(yàn)，側(cè)除霜由于除霜區(qū)域小，離出風(fēng)口較近，除霜速度比前擋玻璃快，因此側(cè)除霜采用1.5 m／s風(fēng)速可以滿(mǎn)足要求。

圖6 優(yōu)化前后側(cè)窗玻璃表面速度云圖 （1.5 m／s參考）

圖7 優(yōu)化前后側(cè)窗玻璃表面速度云圖 （2.0 m／s參考）

2.4 前擋風(fēng)玻璃除霜風(fēng)軌跡優(yōu)化

圖8 為優(yōu)化前后前擋風(fēng)玻璃除霜風(fēng)軌跡圖。優(yōu)化前，前擋玻璃風(fēng)軌跡線(xiàn)分布不理想，前擋玻璃除霜區(qū)域表面風(fēng)速分布不均勻，中間風(fēng)速低，兩側(cè)風(fēng)速高；由除霜風(fēng)軌跡圖可以看出：除霜風(fēng)在A區(qū)出現(xiàn)分布不均勻的情況，且在除霜出風(fēng)口處出現(xiàn)渦旋，不利于除霜。

優(yōu)化后，由軌跡圖可以看出：前擋玻璃表面風(fēng)速分布均勻，A區(qū)、A′區(qū)域均有風(fēng)量覆蓋。

圖8 優(yōu)化前后前擋風(fēng)玻璃除霜風(fēng)軌跡

2.5 側(cè)窗除霜風(fēng)軌跡優(yōu)化

從圖9、圖10中可以看出：在優(yōu)化前，主駕和副駕的除霜風(fēng)落點(diǎn)較低，除霜風(fēng)不能打到側(cè)窗的駕駛員視野區(qū)域的玻璃上，不利于除霜，影響駕駛員安全駕駛；優(yōu)化后，側(cè)除霜風(fēng)的落點(diǎn)合理，且風(fēng)速明顯提升。

圖9 優(yōu)化前后主駕側(cè)窗除霜風(fēng)軌跡

圖10 優(yōu)化前后副駕側(cè)窗除霜風(fēng)軌跡

3 校核數(shù)據(jù)及整改

在CFD分析的過(guò)程中，三維數(shù)據(jù)的修改和分析是同步進(jìn)行的，下面介紹在達(dá)成以上分析結(jié)果時(shí)對(duì)除霜風(fēng)道三維數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)修改。

圖11：風(fēng)道外擴(kuò)可減少壓損，降低噪聲，增加風(fēng)量流動(dòng)平順性。圖12：圓圈區(qū)域內(nèi)原始模型可取消，減少前除霜格柵的長(zhǎng)度，減少除霜風(fēng)量的分散和浪費(fèi)，可以看到在圖8a中，優(yōu)化前風(fēng)量分散到兩邊較多，優(yōu)化后在圖8b上可見(jiàn)風(fēng)量在前擋風(fēng)玻璃的中間聚集且均勻分布。圖13：原始模型中除霜風(fēng)道出風(fēng)口轉(zhuǎn)彎太急，壓損和噪聲過(guò)大，導(dǎo)致除霜風(fēng)擊打到前擋風(fēng)玻璃處的燃燒點(diǎn)不合理，因此將出風(fēng)口改平緩，合理改善燃燒點(diǎn)位置。為提高側(cè)除霜的風(fēng)量，在主除霜通道內(nèi)增加側(cè)除霜的分風(fēng)道，如圖14所示。

圖11 主除霜通道靠近中間位置風(fēng)道外擴(kuò)

圖12 主除霜通道靠近格柵位置管型調(diào)整

圖13 主除霜管型調(diào)整

圖15 ：在主除霜通道內(nèi)增加擋板可使除霜風(fēng)在前擋風(fēng)玻璃上均勻分布，保證除霜風(fēng)能均勻吹到前擋風(fēng)玻璃的A區(qū)、A′區(qū)等。圖16：側(cè)除霜格柵擋板的調(diào)整可讓風(fēng)吹到駕駛員在側(cè)窗玻璃上的視野區(qū)域，保證駕駛員的視野清晰；側(cè)除霜的風(fēng)道管型調(diào)整能降低壓損，提高風(fēng)量，如圖16所示。

圖14 在主除霜通道內(nèi)增加側(cè)除霜分風(fēng)通道

圖15 在主除霜通道內(nèi)增加擋板

4 總結(jié)

圖16 側(cè)除霜管型及格柵擋板角度調(diào)整

根據(jù)CFD分析結(jié)果，對(duì)空調(diào)的除霜風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化和整改，在保證與其余分組間隙滿(mǎn)足的情況下進(jìn)行多輪分析，輸出最終的三維數(shù)據(jù)模型。由以上分析可以看到，CFD分析可以幫助調(diào)整風(fēng)道的風(fēng)量分配，優(yōu)化前擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗玻璃上的除霜風(fēng)軌跡，改善除霜效果的同時(shí)保證車(chē)輛的駕駛安全性。

CFD分析對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)功能，可以分析指出風(fēng)道設(shè)計(jì)中的缺點(diǎn)并加以改進(jìn)，在實(shí)際的汽車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)中有非常廣泛的運(yùn)用。掌握CFD分析的方法對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力具有非常大的提升。