某電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組的仿真分析

張克鵬

（浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司）

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)車輛環(huán)保性和乘客對(duì)汽車空調(diào)舒適性要求的日益提高，新能源汽車得到極大發(fā)展和推廣。電動(dòng)汽車由于受到續(xù)航里程限制，對(duì)能耗要求比較苛刻，而空調(diào)作為電動(dòng)汽車的主要能耗系統(tǒng)，其能否高效節(jié)能是電動(dòng)汽車開發(fā)過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題?？照{(diào)機(jī)組是汽車空調(diào)的重要組成部分，其空氣側(cè)氣流分布均勻性是影響性能的重要因素之一[1-2]。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到越來(lái)越多的認(rèn)可。它是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)求解流體的各種守恒控制偏微分方程組的技術(shù)[3-7]?；谝陨蠁?wèn)題，文章提出使用CFD 仿真方法對(duì)某電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組性能進(jìn)行分析。

1 流體力學(xué)方程

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）是把描述空氣運(yùn)動(dòng)的連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型離散成大型代數(shù)方程組，并在計(jì)算機(jī)上求解。通過(guò)微分方程的離散化和代數(shù)化，把偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，再通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法求解方程組，得到流場(chǎng)的數(shù)值解，然后通過(guò)不同的擬合方法把節(jié)點(diǎn)解擬合到網(wǎng)格的對(duì)應(yīng)區(qū)域。

流體流動(dòng)時(shí)所有介質(zhì)滿足物理守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。在流體流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，整個(gè)體系還要遵循湍流運(yùn)輸方程。以上這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述，統(tǒng)稱為控制方程。文章選用CFD 軟件中提供的Realizablek-ε 湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[8-10]。

湍流控制方程為三維不可壓縮雷諾時(shí)均Navier-Stokes 方程。

1）質(zhì)量守恒方程：

2）動(dòng)量方程：

3）能量方程：

式中：ρ——流體體積質(zhì)量，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

u——速度矢量，m/s；

u，v，w——u 在x，y，z方向的分量；

p——流體微元體上的壓力，N；

τ——粘性應(yīng)力，Pa；

Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z——x，y，z3 個(gè)方向上的微元體體力，N；

T——熱力學(xué)溫度，K；

k——流體換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

cp——流體比熱容，J/（kg·K）；

ST——流體內(nèi)熱源的能量和由于粘性作用引起的流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的能量，J[11-12]。

2 模型建立及邊界條件

2.1 三維模型建立

計(jì)算模型為某電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組，采用SolidWorks軟件建立其三維模型，如圖1所示。幾何模型生成后，為了建立有限元模型，需要將空調(diào)機(jī)組模型從Solid-Works 中導(dǎo)出為.stp 格式。

圖1 某電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組三維模型

2.2 網(wǎng)格模型建立

針對(duì)該空調(diào)機(jī)組，文章采用ANSYS 仿真平臺(tái)CFD專業(yè)前處理軟件ICEM CFD 進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分。面網(wǎng)格全部采用三角形網(wǎng)格，為獲得空調(diào)機(jī)組計(jì)算域入口處更好的計(jì)算收斂性，在其入口邊界進(jìn)行外部拉伸，拉伸長(zhǎng)度為入口直徑的3 倍。電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組流體計(jì)算域模型及機(jī)組網(wǎng)格模型，分別如圖2 和圖3所示，最終形成四面體網(wǎng)格非結(jié)構(gòu)化數(shù)為6 145 895。

圖2 某電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組流體計(jì)算域模型

圖3 某電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組網(wǎng)格模型

圖4 示出電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組模型網(wǎng)格檢查情況，其中橫坐標(biāo)數(shù)值越大代表網(wǎng)格質(zhì)量越好。從圖4 中可以看出，空調(diào)機(jī)組模型網(wǎng)格質(zhì)量都在0.35 以上，網(wǎng)格質(zhì)量較好，滿足計(jì)算要求。

圖4 某電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組模型網(wǎng)格質(zhì)量

2.3 邊界條件的設(shè)定

由于電動(dòng)汽車一般的工作環(huán)境溫度在-20～40 ℃范圍內(nèi)，空氣的物理參數(shù)隨溫度變化范圍不大，因此對(duì)該車空調(diào)機(jī)組內(nèi)部流動(dòng)情況的研究，僅考慮流場(chǎng)內(nèi)空氣的流動(dòng)特性，對(duì)溫度場(chǎng)的變化情況暫做忽略，計(jì)算流動(dòng)工質(zhì)為空氣，空氣體積質(zhì)量為1.18 kg/m3。具體設(shè)置如下：

1）總體設(shè)置：流體為空氣，不考慮能量轉(zhuǎn)化，僅作流場(chǎng)分析。計(jì)算軟件為大型CFD 商用軟件ANSYS Fluent，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，湍流模型選擇Realizablek-ε模型，進(jìn)出口邊界條件選擇流量進(jìn)口、壓力出口風(fēng)扇f(wàn)an，換熱器采用多孔介質(zhì)模型，風(fēng)扇采用二維模型。壓力速度耦合采用SIMPLEC 算法，離散格式采用2 階迎風(fēng)格式。

2）進(jìn)口邊界條件湍流定義方法為湍流強(qiáng)度+水力直徑，流量進(jìn)口流速設(shè)置為6 500 m3/h，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為0.221 m；出口邊界條件湍流定義方法也為湍流強(qiáng)度+水力直徑，出口壓力為140 Pa，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為0.354 m。

3）換熱器作為多孔介質(zhì)模型，需要通過(guò)換熱器的流速和壓降關(guān)系計(jì)算多孔介質(zhì)模型的慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)。在CFD 軟件中，多孔介質(zhì)的壓降公式表示為：

式中：Δp——流體經(jīng)過(guò)多孔介質(zhì)后的壓降，Pa；

Pi——多孔介質(zhì)的慣性阻力系數(shù)，kg/m4；

——流體經(jīng)過(guò)多孔介質(zhì)的等效速度，m/s；

Pv——多孔介質(zhì)的粘性阻力系數(shù)，kg/m2·s；

L——多孔介質(zhì)軸向長(zhǎng)度，m。

表1 示出試驗(yàn)流速壓降計(jì)算結(jié)果。

表1 某電動(dòng)汽車換熱器風(fēng)量-壓損測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表1 得到換熱器風(fēng)速-壓損曲線（如圖5 所示），并擬合多項(xiàng)式。根據(jù)二次多項(xiàng)式前的系數(shù)和相關(guān)公式計(jì)算出多孔介質(zhì)模型的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)分別為14.364 kg/m2·s 和0.448 kg/m3。

圖5 某電動(dòng)汽車換熱器風(fēng)速-壓損曲線

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 仿真計(jì)算結(jié)果

圖6示出空調(diào)機(jī)組內(nèi)部氣流的流線圖。從圖6 中可以看出，機(jī)組內(nèi)部流線不存在間斷的現(xiàn)象，說(shuō)明機(jī)組內(nèi)部空氣流動(dòng)比較順暢，不存在速度死區(qū)。

圖6 某電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組內(nèi)部空氣流線圖顯示界面

圖7和圖8 分別示出空調(diào)機(jī)組在中心切面前0.6 m 處縱向截面的速度矢量圖和速度等值云圖。

圖7 空調(diào)機(jī)組在中心切面前0.6 m 處縱向截面速度矢量圖顯示界面

圖8 空調(diào)機(jī)組在中心切面前0.6 m 處縱向截面速度等值圖顯示界面

從圖8中可以看出，在換熱器左、右2 個(gè)邊角區(qū)域存在低速區(qū)，速度為0.98～1.98 m/s；在左邊換熱器左下側(cè)和右邊換熱器右下側(cè)區(qū)域由于存在擋板，氣流在該區(qū)域會(huì)形成回流，回流與空調(diào)機(jī)組頂部進(jìn)風(fēng)相遇，導(dǎo)致風(fēng)速抵消，會(huì)在換熱器上方區(qū)域形成低速區(qū)。

圖9示出換熱器表面速度分布云圖。從圖9 中可以看出，換熱器進(jìn)口表面速度分布并不均勻，上側(cè)部分速度較高，下側(cè)部分速度較低。

圖9 某電動(dòng)汽車換熱器表面速度分布云圖顯示界面

圖10和圖11分別示出空調(diào)機(jī)組在中心切面前方0.6 m 處縱向截面的壓力等值云圖和換熱器表面壓力分布云圖。

圖10 空調(diào)機(jī)組在中心切面前0.6 m 處縱向截面壓力等值圖顯示界面

圖11 換熱器表面壓力分布云圖顯示界面

從圖10 中可以看出，空調(diào)機(jī)組內(nèi)壓力分布與速度分布相互對(duì)應(yīng)，換熱器左、右2 個(gè)邊角區(qū)域壓力較大，存在一定的氣流緩速區(qū)；從圖11 中也可以看出，換熱器進(jìn)口表面壓力分布不均勻，與速度分布相對(duì)應(yīng)，即在速度高的區(qū)域壓力低，速度低的區(qū)域壓力較高。

3.2 仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在帶有環(huán)境的風(fēng)洞中進(jìn)行該電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組的環(huán)境試驗(yàn)。表2 示出換熱器仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

表2 某電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組仿真與試驗(yàn)對(duì)比

從表2 中可以看出，各項(xiàng)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差都在6%以內(nèi)，滿足工程分析精度需求，因此可以利用CFD 仿真結(jié)果對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供方案優(yōu)化選型等技術(shù)支持。

4 結(jié)論

利用CFD仿真技術(shù)對(duì)某電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組進(jìn)行分析，并將換熱器表面速度與壓差計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明CFD 仿真分析的工程精度可行性；通過(guò)對(duì)額定風(fēng)量工況下的空調(diào)機(jī)組進(jìn)行CFD 分析，找出氣流對(duì)空調(diào)機(jī)組性能的影響位置，在后續(xù)空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮優(yōu)化。在下一步電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組開發(fā)中，建議在設(shè)計(jì)方案定型前，進(jìn)行各工況充分的仿真分析驗(yàn)證，有效提升空調(diào)機(jī)組性能，降低電動(dòng)汽車能耗，在提高其續(xù)航里程的同時(shí)，有效提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。