基于CFD的某車型頂蒸出風(fēng)均勻性研究

王魏興，夏春波，鄭召濤，余 波，肖 垚，席椿富

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

隨著社會的發(fā)展，人們對汽車舒適性的要求越來越高，乘員艙的降溫效果成為評價乘員艙舒適性的一個重要指標(biāo)[1]。一般情況下，轎車只擁有一套空調(diào)系統(tǒng)就能滿足降溫需求，對于尺寸較大的車型如大型SUV、MPV等，為了更好地保證乘員艙舒適性，通常會增加一套頂蒸空調(diào)系統(tǒng)（Heating，Ventilation and Air Conditioning，HVAC），HVAC

位于后輪轂包位置，風(fēng)管位于C柱（或D柱）和頂棚內(nèi)，出風(fēng)口位于頂棚位置；由于受到頂棚空間限制，風(fēng)管方向與風(fēng)口方向處于互為垂直的結(jié)構(gòu)，風(fēng)口位置會存在較大的風(fēng)口空腔，氣流通過風(fēng)口空腔時容易形成渦流。頂蒸風(fēng)管不同于前吹面風(fēng)管，氣流從風(fēng)管進入風(fēng)口后，在風(fēng)口空腔中要經(jīng)過90°向轉(zhuǎn)角才能吹入乘員艙，這會出現(xiàn)風(fēng)口出風(fēng)不均勻的現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)風(fēng)口一半以上區(qū)域無風(fēng)的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致乘員艙整體制冷效果不佳，影響乘員艙舒適性以及駕乘體驗[2]。

龔繼如[3]通過仿真和試驗相結(jié)合的方式分析了風(fēng)道壓力對空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)均勻性的影響，但并未研究風(fēng)口結(jié)構(gòu)對出風(fēng)均勻性的影響。王愛斐等[4]探究了軌道交通車輛空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)對其整體送風(fēng)均勻性的影響，但并未研究單個風(fēng)口出風(fēng)均勻性。

傳統(tǒng)設(shè)計通常是根據(jù)經(jīng)驗和試驗，這樣前期無法有效地評估對應(yīng)方案下風(fēng)口的出風(fēng)均勻性，且加大了開發(fā)的周期和成本。本文通過CFD仿真分析對風(fēng)口進行優(yōu)化，有效地提升了出風(fēng)口的均勻性，大大縮短了開發(fā)周期，最后通過樣件裝車試驗方法對最終狀態(tài)進行試驗驗證，該方案能有效解決風(fēng)口均勻性差的問題。

1 幾何模型介紹

某車型頂蒸風(fēng)口出風(fēng)均勻性較差，甚至?xí)霈F(xiàn)風(fēng)口一半以上區(qū)域無風(fēng)的現(xiàn)象，駕乘體驗不滿足要求。應(yīng)車企要求，對該車的風(fēng)口出風(fēng)均勻性進行優(yōu)化。

該車為7座大型SUV，為保證后兩排乘員的舒適性，頂蒸風(fēng)口采用前后各兩個風(fēng)口的布置方式，風(fēng)管方向和風(fēng)口方向互相垂直，風(fēng)管分析模型如圖1所示，風(fēng)口的結(jié)構(gòu)及形成的空腔如圖2所示。

圖1 某SUV頂蒸幾何模型

圖2 某SUV頂蒸風(fēng)口模型

2 頂蒸出風(fēng)均勻性目標(biāo)

參考空調(diào)前排吹面風(fēng)口的出風(fēng)均勻性統(tǒng)計值并與相關(guān)工程師進行討論，確定本次頂蒸風(fēng)口出風(fēng)均勻性的優(yōu)化目標(biāo)如下。

2.1 CFD仿真目標(biāo)

（1）針對某一風(fēng)口，均勻性系數(shù)≥0.7。

（2）風(fēng)口被格柵葉片劃分為多個出風(fēng)間隙依次為1、2風(fēng)口（圖3），每個出風(fēng)間隙的平均風(fēng)速與整個風(fēng)口平均風(fēng)速的差值不超過20%。

圖3 頂蒸風(fēng)口模型

2.2 試驗測量標(biāo)準(zhǔn)

（1）主觀感受各個區(qū)域風(fēng)速度，出風(fēng)是否均勻。

（2）同一風(fēng)口均分為左、中、右3個區(qū)域（圖4），每個區(qū)域隨機測量3次有效值，取平均值記為該區(qū)域的平均風(fēng)速。

圖4 頂蒸風(fēng)口模型分區(qū)

（3）將上述各區(qū)域的平均風(fēng)速取平均值記為本次測量整個風(fēng)口的平均風(fēng)速；每個區(qū)域的平均風(fēng)速與整個風(fēng)口的平均風(fēng)速差值保持在20%以內(nèi)。

3 模型建立及邊界條件設(shè)置

3.1 模型建立

為保證計算精度，處理模型時盡量保證模型的完整性，以及保留乘員艙中所有部件，包括全部格柵葉片、風(fēng)口、頂棚、風(fēng)管等。將整個乘員艙及HVAC、風(fēng)管、風(fēng)口處理為完整的封閉的計算域，且各個風(fēng)口區(qū)域50 mm范圍內(nèi)的頂棚數(shù)據(jù)不做簡化處理；網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1～16 mm，對風(fēng)管、HVAC、風(fēng)口及風(fēng)口直吹段區(qū)域進行網(wǎng)格加密；對風(fēng)管、風(fēng)口、HVAC進行邊界層設(shè)置，最終面網(wǎng)格數(shù)量為2 360 412個，體網(wǎng)格總數(shù)量為18 274 694個；整個降溫模型為內(nèi)循環(huán)。

3.2 分析邊界條件

入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，前HVAC入口質(zhì)量流量為420 m3/h，后HVAC入口質(zhì)量流量為210 m3/h，出口設(shè)置為壓力出口。

4 基礎(chǔ)模型和初版模型分析結(jié)果

本文主要研究風(fēng)口出風(fēng)均勻性，基礎(chǔ)模型分析結(jié)果顯示風(fēng)口1出風(fēng)均勻性最差，因此，將風(fēng)口1作為研究對象進行分析優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 風(fēng)口位置布置

初版模型分析結(jié)果顯示，風(fēng)口1的出風(fēng)均勻性系數(shù)為0.61不滿足目標(biāo)值0.7，且風(fēng)口平均風(fēng)速為3.9 m/s。風(fēng)口左側(cè)間隙風(fēng)速普遍在2 m/s以下（圖6），不滿足每個出風(fēng)間隙的平均風(fēng)速與整個風(fēng)口平均風(fēng)速的差值不超過20%的要求；整個風(fēng)口均勻性較差，需要對出風(fēng)均勻性進行優(yōu)化。

如圖6和圖7所示，風(fēng)口1出風(fēng)很不均勻，出現(xiàn)同一風(fēng)口一半有風(fēng)一半無風(fēng)的現(xiàn)象，與前期車企反饋的問題一致。由于風(fēng)管的布置空間有限，風(fēng)管方向與風(fēng)口方向互為垂直，風(fēng)口位置存在較大的風(fēng)口空腔，氣流在流經(jīng)空腔時，會在空腔內(nèi)形成渦流（圖8），導(dǎo)致氣流不能從風(fēng)口均勻地流入乘員艙，所以需要對空腔進行優(yōu)化。

圖6 風(fēng)口風(fēng)速分布云圖

圖8 風(fēng)口出風(fēng)流線俯視圖

5 優(yōu)化方案

原狀態(tài)的風(fēng)口結(jié)構(gòu)如圖9所示，只有一條筋用于調(diào)整風(fēng)口的風(fēng)量，由于筋未將風(fēng)口完全分割成獨立的風(fēng)口，導(dǎo)致風(fēng)口空腔并不是獨立的空腔，對后期的優(yōu)化不利。

圖9 原狀態(tài)風(fēng)口結(jié)構(gòu)

按圖10所示的方式調(diào)整出風(fēng)口空腔的結(jié)構(gòu)，將位置1處的筋打通，使風(fēng)口處形成一個完整獨立的空腔，使風(fēng)口的出風(fēng)方式受干擾因素減少；通過不斷的優(yōu)化調(diào)整，最終在位置2處加1個寬度為20 mm，長度為50 mm，深度為6～14 mm的楔形凸臺，以改變空腔結(jié)構(gòu)和渦流狀態(tài)；在位置3處加1個寬度為10 mm，長度為20 mm，深度為5 mm的凸臺，提前下壓一部分氣流進入乘員艙，防止渦流減弱或消失后，氣流完全從風(fēng)口的遠(yuǎn)端進入乘員艙的現(xiàn)象。

圖10 優(yōu)化出風(fēng)口空腔結(jié)構(gòu)示意圖

6 優(yōu)化模型分析結(jié)果

優(yōu)化模型分析結(jié)果顯示，風(fēng)口1的出風(fēng)均勻性系數(shù)為0.73，滿足目標(biāo)值0.7，且風(fēng)口平均風(fēng)速為4.1 m/s，風(fēng)口各個間隙風(fēng)速超過平均風(fēng)速的區(qū)域均在一半以上，如圖11和表1所示。風(fēng)速均勻地從風(fēng)口的各個格柵間隙進入乘員艙，如圖12所示。隨著空腔結(jié)構(gòu)的改變，渦流強度大大減弱，如圖13所示，能夠使氣流從整個風(fēng)口均勻地進入乘員艙。

圖11 優(yōu)化方案風(fēng)口風(fēng)速分布云圖

表1 各個格柵間隙平均風(fēng)速統(tǒng)計

圖12 優(yōu)化方案風(fēng)口出風(fēng)流線側(cè)視圖

圖13 優(yōu)化方案風(fēng)口出風(fēng)流線俯視圖

7 試驗測試結(jié)果

試驗測量風(fēng)口風(fēng)速時將風(fēng)口分為左、中、右3個區(qū)域，如圖14所示，分別測量3個區(qū)域的出風(fēng)速度，如圖15所示，且每個區(qū)域隨機測量3次，取平均值。

圖14 風(fēng)口分區(qū)域示意圖

圖15 風(fēng)口風(fēng)速測量示意圖

優(yōu)化前對原車使用風(fēng)速儀測量風(fēng)口1處的出風(fēng)風(fēng)速；測得左、中、右3個區(qū)域的風(fēng)速分別為0.8 m/s、2.9 m/s、4.3 m/s（表2），主觀感受3個區(qū)域風(fēng)速差異較大，左側(cè)基本感受不到風(fēng)，均勻性差。

表2 優(yōu)化前各區(qū)域風(fēng)速測量值 單位：m/s

優(yōu)化后制作快速樣件并裝車，使用風(fēng)速儀測量風(fēng)口1的出風(fēng)速度；測得左、中、右3個區(qū)域的風(fēng)速分別為2.8 m/s、3.1 m/s、2.6 m/s（表3）；測得3個區(qū)域的風(fēng)速差異較小，能夠感受到整個風(fēng)口都有較大的風(fēng)吹出，且各區(qū)域的平均風(fēng)速都在實測風(fēng)口平均風(fēng)速的20%以內(nèi)，滿足風(fēng)口的設(shè)計要求，能夠得到很好的駕乘體驗。

實測的平均風(fēng)速都比分析的平均風(fēng)速低，主要是由于風(fēng)速葉輪測速儀尺寸較大，出風(fēng)口較窄，測

表3 優(yōu)化后各區(qū)域風(fēng)速測量值 單位：m/s

試時出風(fēng)口不能有效地覆蓋整個風(fēng)速儀，測試的風(fēng)速比實際的風(fēng)速偏低。但通過各個區(qū)域的平均風(fēng)速及整個風(fēng)口的平均風(fēng)速間的相互對比可以判定出風(fēng)的均勻性。

8 結(jié)論

本文通過對某車型頂蒸風(fēng)口出風(fēng)均勻性優(yōu)化分析，在風(fēng)口空腔內(nèi)加凸臺的優(yōu)化方案很好地改善了風(fēng)口的出風(fēng)均勻性，并通過試驗進行對比驗證，結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)果能夠滿足設(shè)計要求。在整車開發(fā)前期采用這種在風(fēng)口空腔內(nèi)加凸臺的方法可以快速有效地改善風(fēng)口出風(fēng)均勻性，縮短研發(fā)周期。該優(yōu)化方法可以作為同類車型頂蒸吹面的參考。