頂置空調(diào)迎風(fēng)式冷凝器回流分析與改善

章嵩松

(上海加冷松芝汽車空調(diào)股份有限公司，上海 201100)

對于頂置客車空調(diào)迎風(fēng)式冷凝器，通常采用前置安裝方式來保證其在客車行駛過程中的換熱性能。但是基于整車布置的要求，有時會發(fā)生迎風(fēng)式冷凝器后置安裝的情況，從而造成冷凝器發(fā)生回流，影響冷凝器效果[1-3]，對空調(diào)以及整車的能耗和制冷影響較大[4-6]。本文應(yīng)用CFD技術(shù)，采用Fluent軟件對迎風(fēng)式冷凝器后置安裝時的回流現(xiàn)象進(jìn)行分析，考察車速對回流現(xiàn)象的影響，并通過提升風(fēng)機(jī)高度來改善回流現(xiàn)象。

1 冷凝器回流分析

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

為更加真實地反映冷凝器外部氣流特征，需要將整車和空調(diào)蒸發(fā)器一起考慮。但整車和蒸發(fā)器部分只考慮其外部輪廓對流場的影響。由于模型左右對稱，采用1/2右側(cè)模型為研究對象，半邊車輛尺寸為8 000 mm×1 200 mm×2 400 mm，半邊空調(diào)尺寸為 2 400 mm×950 mm×320 mm，空調(diào)與車頂最大間隙高度為65 mm。如圖1所示，坐標(biāo)系原點位于冷凝器左下角。外流場計算域為80 m×6 m×12 m，入口距車頭3倍車長，出口距車尾6倍車長。位于模型對稱線上的風(fēng)機(jī)稱為中心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)中心截面坐標(biāo)為Y=0 m；邊上的風(fēng)機(jī)稱為側(cè)翼風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)中心截面坐標(biāo)為Y=0.38 m。由于冷凝器內(nèi)置構(gòu)件較多，不利于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，故計算域全部采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，空調(diào)及其上方1.5 m范圍內(nèi)計算域網(wǎng)格尺寸為15～50 mm；遠(yuǎn)場域網(wǎng)格尺寸為100～300 mm；總體網(wǎng)格數(shù)約為800萬個。

圖1 1/2右側(cè)車輛模型計算域網(wǎng)格示意圖

1.2 邊界條件

進(jìn)口采用速度進(jìn)口，與車速保持一致；出口采用壓力出口[7]，表壓為0 Pa。冷凝器采用管片式芯體，1/2右邊芯體尺寸為725 mm×504 mm×78 mm。由于翅片數(shù)量較多，所需網(wǎng)格數(shù)太大。為了減小計算量，需事先模擬計算出芯體壓降[8-10]。采用多孔介質(zhì)模型對芯體進(jìn)行簡化，F(xiàn)luent軟件中輸入的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)通過芯體壓降和芯體迎面風(fēng)速的關(guān)系擬合得出。芯體計算模型及其邊界條件如圖2所示。其中銅管外徑為7 mm，相鄰銅管間距橫排和豎排分別為21 mm和13 mm，采用波紋型翅片，翅片間距為2.1 mm，模擬結(jié)果見表1。冷凝風(fēng)機(jī)采用fan邊界條件，通過擬合風(fēng)機(jī)性能曲線，得到關(guān)系式ΔP=458.4-46u，其中ΔP為風(fēng)機(jī)壓頭損失，單位為Pa；u為通過風(fēng)機(jī)的氣流流速，單位為m/s。

圖2 芯體計算模型及邊界條件

表1 芯體壓降模擬值

1.3 不同工況下模擬計算分析

1) 在靜態(tài)工況下，冷凝器進(jìn)風(fēng)總量模擬值為 5 760 m3/h，實測風(fēng)量為6 000 m3/h，模擬值與實驗值誤差為4.2%。說明本文采用的多孔介質(zhì)模型和fan模型是可行的。

2) 動態(tài)工況考察車速為60 km/h，冷凝器不同風(fēng)機(jī)中心截面流線圖如圖3所示。左下角空白區(qū)域為空調(diào)冷凝器，其上邊線為冷凝風(fēng)機(jī)所在位置(Z=0.32 m)，右邊線為冷凝器進(jìn)風(fēng)口所在位置(X=0.61 m)。圖3(a)中，中心風(fēng)機(jī)無明顯回流現(xiàn)象；圖3(b)中，側(cè)翼風(fēng)機(jī)發(fā)生較明顯的回流現(xiàn)象，冷凝風(fēng)機(jī)出風(fēng)氣流受車速的影響，回流至冷凝器進(jìn)風(fēng)口，不僅導(dǎo)致冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度升高，還會影響冷凝器進(jìn)風(fēng)總量，后續(xù)回流現(xiàn)象的分析只考察側(cè)翼風(fēng)機(jī)。

(a) 中心風(fēng)機(jī)(Y=0 m)

(b) 側(cè)翼風(fēng)機(jī)(Y=0.38 m)

1.4 不同車速下的模擬計算結(jié)果

模擬側(cè)翼風(fēng)機(jī)中心截面分別在車速為20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h時空調(diào)外流場流線，部分流線圖如圖4所示。其中，X軸和Z軸分別代表空調(diào)外流場水平距離和高度；X負(fù)向為車輛行駛方向，Z正向為冷凝風(fēng)機(jī)出風(fēng)方向。圖4(a)中，車速較低，風(fēng)機(jī)出來的大部分氣流流向車后，很少一部分氣流回流至冷凝器進(jìn)風(fēng)口；圖4(b)中，隨著車速增加，空調(diào)右上方氣流漩渦消失，風(fēng)機(jī)右側(cè)氣流回流至冷凝器進(jìn)風(fēng)口，回流現(xiàn)象明顯；圖4(c)中，車速達(dá)到100 km/h，冷凝器進(jìn)風(fēng)口外側(cè)產(chǎn)生較大的氣流漩渦，將嚴(yán)重阻礙外界氣流進(jìn)入冷凝器內(nèi)部，降低冷凝器進(jìn)風(fēng)總量。從模擬結(jié)果來看，在動態(tài)工況下，冷凝器回流較強(qiáng)區(qū)域水平最大范圍大約位于X=1 m處，高度最大范圍大約位于Z=0.5 m處。

(a) 車速20 km/h

(b) 車速40 km/h

(c) 車速100 km/h

圖4中，選取冷凝風(fēng)機(jī)出風(fēng)面所在高度(Z=0.32 m)，起始點位于冷凝器進(jìn)風(fēng)口附近(X=0.65 m)，X軸坐標(biāo)值與圖5一致，沿X正向考察回流區(qū)域不同位置下氣流Z向風(fēng)速，結(jié)果如圖5所示：X軸坐標(biāo)值越大，代表與冷凝器出風(fēng)口距離越大；Z負(fù)向速度代表速度矢量方向與冷凝風(fēng)機(jī)出風(fēng)方向相反，Z負(fù)向速度越大，表示回流強(qiáng)度越強(qiáng)。

圖5 不同車速下空調(diào)外流場回流區(qū)域Z向風(fēng)速

在靜態(tài)工況下，隨著X向坐標(biāo)值的增加，Z負(fù)向速度逐漸降低，說明越靠近冷凝器進(jìn)風(fēng)口，氣流阻力越小，外界氣流更易進(jìn)入冷凝器內(nèi)部。

當(dāng)車速為20 km/h時，由于部分氣流在空調(diào)右上方形成漩渦，隨著X向坐標(biāo)值的增加，Z負(fù)向速度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，Z負(fù)向速度相比靜態(tài)工況下有所增加，說明冷凝器外部存在一定程度的回流。當(dāng)車速繼續(xù)增大，隨著X向坐標(biāo)值的增加，Z負(fù)向速度逐漸增大，說明在回流區(qū)域內(nèi)，越遠(yuǎn)離冷凝器進(jìn)風(fēng)口，氣流回流速度越大。隨著車速的進(jìn)一步增大，這種現(xiàn)象表現(xiàn)得越明顯。同時，在X軸同一位置，隨著車速增大，靠近冷凝器進(jìn)風(fēng)口，回流風(fēng)速有一定程度的降低，主要是在冷凝器進(jìn)風(fēng)口存在不同程度的氣流漩渦所致；而遠(yuǎn)離冷凝器進(jìn)風(fēng)口，回流風(fēng)速會增大，回流強(qiáng)度明顯加強(qiáng)。

表2是不同車速下冷凝器進(jìn)風(fēng)總量。當(dāng)車速低于60 km/h時，隨著車速的增加，風(fēng)量衰減較快。

表2 不同車速下冷凝器進(jìn)風(fēng)總量

總體來看，側(cè)翼風(fēng)機(jī)回流較強(qiáng)區(qū)域：水平最大范圍大約位于X=1 m處，高度最大范圍大約位于Z=0.5 m處。隨著車速的增大，越靠近冷凝器進(jìn)風(fēng)口，回流強(qiáng)度會有一定程度的降低，越遠(yuǎn)離冷凝器進(jìn)風(fēng)口，回流強(qiáng)度越大。同時，隨著車速的增大，冷凝器進(jìn)風(fēng)總量降低。當(dāng)車速為100 km/h時，相比靜態(tài)工況冷凝器進(jìn)風(fēng)總量下降幅度達(dá)到17.5%。

2 冷凝器回流改善

結(jié)合車輛實際運行情況，選取車速60 km/h工況進(jìn)行回流現(xiàn)象的改善?？照{(diào)和整車相對位置保持不變，只在風(fēng)機(jī)下方添加墊圈，通過提升冷凝風(fēng)機(jī)高度來降低回流現(xiàn)象對冷凝器的影響，設(shè)定風(fēng)機(jī)墊圈的高度為H，使H分別為10～70 mm，中間間隔為10 mm。 圖6是部分風(fēng)機(jī)提升高度后的側(cè)翼風(fēng)機(jī)中心截面流線圖。當(dāng)H較小時，氣流流線變化并不明顯；當(dāng)H進(jìn)一步增加時，在冷凝器進(jìn)風(fēng)口上方開始形成氣流漩渦，但是對冷凝器進(jìn)風(fēng)通道影響較?。划?dāng)H較大時，冷凝器進(jìn)風(fēng)口上方的氣流漩渦又消失。

(a) H=20 mm

(b) H=50 mm

(c) H=70 mm

圖6中，選取冷凝風(fēng)機(jī)出風(fēng)面所在高度(Z=0.32 m)，起始點位于冷凝器進(jìn)風(fēng)口附近(X=0.65 m)，X軸坐標(biāo)值與圖7一致，沿X正向考察回流區(qū)域不同位置下氣流Z向風(fēng)速，結(jié)果如圖7所示。當(dāng)H小于40 mm，在X軸相同位置，隨著風(fēng)機(jī)提升高度的增加，Z負(fù)向速度減小，氣流回流速度降低，說明通過提升風(fēng)機(jī)高度可以改善回流現(xiàn)象。當(dāng)H為40～60 mm時，由于氣流在冷凝器上方形成漩渦，靠近冷凝器進(jìn)風(fēng)口氣流流速表現(xiàn)為Z正向風(fēng)速，說明冷凝器上方氣流漩渦的存在對于減弱氣流回流強(qiáng)度是有利的；而遠(yuǎn)離冷凝器進(jìn)風(fēng)口的Z負(fù)向速度降低明顯。當(dāng)H為70 mm時，氣流漩渦消失，Z負(fù)向速度又開始增大。

圖7 不同風(fēng)機(jī)墊圈高度對應(yīng)的空調(diào)外流場Z向風(fēng)速

表3是車速為60 km/h工況下不同風(fēng)機(jī)墊圈高度冷凝器進(jìn)風(fēng)總量，總體趨勢先增大后減小。當(dāng)H為40 mm時，冷凝器進(jìn)風(fēng)總量提升最大，相比于原風(fēng)機(jī)高度，進(jìn)風(fēng)總量可以提升4.9%。

表3 不同H值冷凝器進(jìn)風(fēng)總量

3 結(jié) 論

本文對客車空調(diào)迎風(fēng)式冷凝器后置安裝時的回流現(xiàn)象進(jìn)行了分析和改善，得出以下結(jié)論：

1) 回流現(xiàn)象主要發(fā)生于冷凝器側(cè)翼風(fēng)機(jī)，回流較強(qiáng)區(qū)域水平最大范圍大約位于X=1 m處，高度最大范圍大約位于Z=0.5 m處。隨著車速的增大，靠近冷凝器進(jìn)風(fēng)口回流強(qiáng)度會有一定程度的降低，而越遠(yuǎn)離冷凝器進(jìn)風(fēng)口回流強(qiáng)度越大。同時，隨著車速的增大，冷凝器進(jìn)風(fēng)總量下降明顯。

2) 通過提升風(fēng)機(jī)高度可以改善回流現(xiàn)象，同時提升冷凝器進(jìn)風(fēng)總量，但不同車速下的最佳高度是不一樣的。