CFD方法的汽車空調風道結構優(yōu)化

鄒平，牛貝貝，張成

(柳州五菱汽車工業(yè)有限公司技術中心，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展，汽車空調系統(tǒng)愈發(fā)完善，已成為汽車乘坐舒適性中一個重要的影響因素。汽車空調系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、鼓風機和空調管道等部件構成，其工作原理是通過制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動的壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)等過程實現(xiàn)溫度調節(jié)。當空調系統(tǒng)作為一個整體工作時，各部件之間是相互影響、相互聯(lián)系的[1]?？照{管道的設計決定整個系統(tǒng)的壓降過程、流場分布、溫度分布和風量分配，對整個空調系統(tǒng)的性能有很大影響[2]。因此，汽車空調系統(tǒng)對風道的設計合理性要求嚴格。風道流場中產生渦流或阻礙流場順暢流動的結構都需要進行優(yōu)化。

近年來計算流體動力學(CFD)理論進一步發(fā)展，已經成為流體機械設計初期指導的常用方法。通過CFD計算能夠縮短產品開發(fā)周期、降低成本，且能夠提供全面準確的信息[3]。在空調風道的設計過程中，CFD方法的應用可以縮短周期，為設計方向提供準確的指導。本文作者使用ANSA軟件輔助進行前處理，通過STAR-CCM+進行仿真計算，對某車型現(xiàn)有空調風道流場流動情況進行分析，尋找其結構設計中不合理的地方，并進行相應的優(yōu)化。

1 數(shù)值計算

1.1 CFD現(xiàn)狀

CFD是數(shù)值數(shù)學和計算機科學聯(lián)合發(fā)展的產物，它以計算機為工具，通過離散的數(shù)學方法，快速得到流體控制方程的近似解，可以對流體中的各類問題進行模擬和分析。

CFD方法通過流動現(xiàn)象的規(guī)律，綜合計算數(shù)學、計算機科學、流體力學等多個學科?，F(xiàn)已應用到航空航天、汽車等工業(yè)領域，對工程實際進行指導?？梢源蟠罂s短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

CFD基于流體控制方程，質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程等，工程仿真即求解方程在特定條件下的近似解，以得到流動過程中的相關物理參數(shù)。采用數(shù)值方法計算時，必須要對控制方程在空間上進行離散處理，得到離散的方程組，因此必須通過網格劃分來完成。

1.2 數(shù)學模型

湍流是一種是由于黏性力引起的，非常復雜的三維、帶旋轉的不規(guī)則運動。目前用數(shù)值模擬湍流流動的方法主要有：直接模擬(DNS)、大渦模擬(LES)和雷諾時均方程模擬(RANS)。

工程中應用最為廣泛的是雷諾時均方程模擬，其計算效率較高，解的精度也基本可滿足工程需要，但缺點在于對不同性質的流體運動不具有普適性。因為在平均運動中，雷諾應力是未知的，需要建立湍流模型。湍流模型的選取主要取決于流動的邊界條件和計算的限制，如流體是否可壓縮、計算精度要求、時間等因素[4]。綜合考慮風道仿真中流場為內部流動和計算精度等因素，選擇SSTk-ω模型為湍流模型。

2 模型流動分析及優(yōu)化

2.1 風道模型

仿真計算選取某車型已有的汽車空調風道模型為研究對象。通過ANSA對其進行幾何清理，其幾何模型如圖1所示。

圖1 空調風道幾何模型

幾何清理完成后首先劃分簡單面網格，然后將其導入STAR CCM+中進行包面處理得到質量較高的面網格，然后生成體網格并檢查排除掉無效的網格單元。

仿真模型的體網格采用Trimmer網格。其中，風道的體網格單元為308萬個，蒸發(fā)器芯體的體網格單元為5萬個，鼓風機的體網格單元為255萬個，共計569萬個網格單元。網格劃分后根據(jù)空調風道的性能參數(shù)和使用條件進行邊界條件的設置[5]。

2.2 計算設置

鼓風機的進風口設置為滯止入口(Stagnation Inlet)。由于蒸發(fā)器芯體包含百葉窗翅片結構，在模擬蒸發(fā)器的壓損和傳熱過程時，可以將蒸發(fā)器芯體簡化為多孔介質[6]。

根據(jù)汽車空調風道中空氣流體的特點選擇相應的模擬方法和模型，通過雷諾時均方程模擬，選擇SSTk-ω湍流模型，其計算所需的物理模型的選擇如圖2所示。

圖2 物理模型選擇

2.3 流動分析

2.3.1 鼓風機出風口

圖3為風道Y向截面上的壓力分布云圖，可以看出鼓風機出風口處上下兩側尖角部分壓力較大，即出風口處結構對鼓風機出風的阻礙作用大。

圖3 壓力分布云圖

查看其速度分布圖可以清晰地觀察流動情況，如圖4所示，其黑色代表速度。蒸發(fā)器芯體上部進風極少，是因為鼓風機出風口結構阻擋了鼓風機的出風，這會導致蒸發(fā)器芯體傳熱利用率低下，影響空調性能。

圖4 速度分布圖

2.3.2 風道內腔

此風道設計中出現(xiàn)較多截面面積急劇變化的地方。風道的截面突變，彎曲程度過大都會對空調的性能產生影響[7]。這是因為，截面變小，氣流的運動速度會加快[8]。當氣流脈沖遇到管道彎頭或者變截面時，會產生激振力，使管道產生振動，壓力波動越大，激振力就越大，振動就會越強烈[9]。

在STAR CCM+軟件中建立監(jiān)控面并查看流量監(jiān)測報告，監(jiān)測各個出風口處的風量見表1。

表1 各出風口風量統(tǒng)計

由表1中可以看出，B1、B2處2個的出風口風量較為均勻，但A1、A2、A3、A4的4個出風口風量差異較大。不均勻出風會導致部分出風口風量和風速過大，不利于NVH性能。

2.4 優(yōu)化方向

鼓風機出風口處結構對風道系統(tǒng)進風有阻礙作用，鼓風機外殼和進風口共同構成的出風方向(沿出風口切線向下)偏移過大。需要對出口處結構進行優(yōu)化，以減少其對進風的阻擋，同時提高蒸發(fā)器芯體利用率。結構優(yōu)化方案如圖5所示。

圖5 風機出口結構優(yōu)化

風道內腔中由于存在導流板將空氣導入兩側的出風口，導流板后方沒有空氣流入，而風道中部氣流速度較大，容易在導流板后方形成漩渦。且由于A1、A2、A3、A4的4個出風口出風不均勻，需要增設導流板對風量進行重新分配，同時改善原導流板后方的漩渦。在風道設計時，盡量減少內部的負壓區(qū)，消除渦流區(qū)，風道平滑過渡，利于對壓損、風量的控制[10]。

如圖6所示的導流板為需要增設的導流板，將導流板設置在風道內腔的中間位置，并對其進行網格劃分。

圖6 風道內增設導流板

3 優(yōu)化效果

根據(jù)流場相關分析，找出流場中可能存在問題的地方并制定相應的優(yōu)化方案。在鼓風機出口處修改了出口臺階以改變其切線方向，減少出口對空氣的阻擋作用；在風道內腔中增設導流板，重新分配各個出風口風量。

根據(jù)優(yōu)化方案修改模型結構后，重新對其進行仿真計算。統(tǒng)計各出風口風量見表2。

表2 優(yōu)化前后出風對比

由表2可知，鼓風機出口經過優(yōu)化之后，在未改變鼓風機轉速的情況下，流過風道的風量從405.5 m3/h提升至449.3 m3/h，風量提升了10.8%。風量的提高說明鼓風機出口處的結構優(yōu)化使其對空氣的阻擋作用有所降低，優(yōu)化方向有效。

A1、A2、A3、A4的4個出風口的出風均勻性有明顯提升，極差由26.5 m3/h減小為5 m3/h，方差由164.2減小為5.3。同時B1、B2出風口出風均勻性保持良好，說明風道內腔增設的導流板對風量的重新分配使得A處出風口風量均勻。表明新增導流板的位置和大小適宜，合理分配各出風口風量。

圖7為鼓風機出口速度分布。由圖可知，蒸發(fā)器芯體上半部分空氣流速和進風量有明顯增加。

圖7 鼓風機出口速度分布

鼓風機出口處的優(yōu)化對出風口處的影響不僅減少了出口結構對空氣的阻擋，增加了總進風量，還改變了鼓風機出口的切線方向，使得鼓風機出口處的出風方向向下半部分偏向的角度變小，蒸發(fā)器芯體上半部分的進風量增加，能提升芯體熱交換效率。

4 結論

(1)在流場中結構突變的位置往往是導致壓力、速度、流量等異常改變的位置，因此在設計流場流域初期應考慮盡量避免或減小結構突變。

(2)鼓風機出口處結構優(yōu)化改變了出風方向，使蒸發(fā)器芯體熱交換效率提升，還減小其對空氣的阻擋，鼓風機進風量提升了10.8%。