汽車(chē)空調(diào)溫度場(chǎng)與流場(chǎng)耦合分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 俊，楊啟梁，權(quán) 妮

(1.武漢科技大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.東風(fēng)馬勒熱系統(tǒng)有限公司，湖北 武漢 430056)

為了讓車(chē)室內(nèi)人員駕乘體驗(yàn)?zāi)苤苯犹嵘?，汽?chē)空調(diào)系統(tǒng)孕育而生，它不僅可以調(diào)節(jié)車(chē)室內(nèi)的溫度和濕度，還能使空氣流通和保證空氣清潔度[1]。汽車(chē)空調(diào)性能主要包括溫度、濕度、風(fēng)量、制冷量等，汽車(chē)空調(diào)內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布是否合理，是汽車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)要考慮的主要因素。各出風(fēng)口溫度需滿足“頭冷腳熱”的要求，若流場(chǎng)分布不合理，使吹臉出風(fēng)口的溫度大于吹腳出風(fēng)口的溫度，在冬季可能會(huì)造成駕駛員困倦，不能保持一個(gè)清醒的狀態(tài)，從而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

近年來(lái)，CFD方法廣泛應(yīng)用到汽車(chē)空調(diào)內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的研究中，CFD方法可以非常詳細(xì)準(zhǔn)確地分析汽車(chē)空調(diào)內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，得到合理的汽車(chē)空調(diào)內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，提高車(chē)室內(nèi)的乘員舒適性。

現(xiàn)有對(duì)于汽車(chē)空調(diào)性能的研究，如嚴(yán)運(yùn)兵等通過(guò)CFD方法，分析了空調(diào)風(fēng)道內(nèi)的溫度場(chǎng)，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化了風(fēng)道結(jié)構(gòu)，改善了溫差問(wèn)題[2]；賀賽等通過(guò)對(duì)汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低風(fēng)道空氣阻力，提高空調(diào)送風(fēng)性能[3]；張文燦等運(yùn)用CFD方法，分析了出風(fēng)口風(fēng)量配比的問(wèn)題，并通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)原始風(fēng)道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終風(fēng)量配比達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)[4]。大多針對(duì)汽車(chē)空調(diào)的溫度場(chǎng)或者汽車(chē)空調(diào)各出風(fēng)口風(fēng)量配比的研究，但溫度場(chǎng)與流場(chǎng)具有耦合關(guān)系，將二者聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行整體的分析研究較少。本文以某商用車(chē)空調(diào)為例，運(yùn)用CFD方法對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)與流場(chǎng)進(jìn)行了耦合研究。首先，在分析原結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，以各出風(fēng)口控制溫差為目標(biāo)對(duì)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，然后以出風(fēng)口控制溫差為約束條件，以風(fēng)量均勻度為目標(biāo)，結(jié)合流場(chǎng)分析對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使出風(fēng)口風(fēng)量和溫度同時(shí)滿足了設(shè)計(jì)要求。

1 汽車(chē)空調(diào)箱體及風(fēng)道總成計(jì)算模型的建立

1.1 汽車(chē)空調(diào)箱體及風(fēng)道總成幾何模型

汽車(chē)空調(diào)箱體及風(fēng)道總成使用三維建模軟件CATIA建立幾何模型，模型由鼓風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、暖風(fēng)芯子、空調(diào)箱體、風(fēng)門(mén)和風(fēng)道等組成，其幾何模型如圖1所示。

圖1 汽車(chē)空調(diào)幾何模型

1.2 CFD計(jì)算模型

運(yùn)用STAR CCM+軟件，將幾何模型導(dǎo)入其中，對(duì)幾何模型進(jìn)行重復(fù)面的刪除和自由邊的修復(fù)；對(duì)進(jìn)口、出口和各個(gè)區(qū)域的交界面進(jìn)行劃分與命名，將風(fēng)門(mén)旋轉(zhuǎn)至所需要的角度；接著基于PBM(Part Base Mesh)的網(wǎng)格劃分方法對(duì)空調(diào)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分了7 456 611網(wǎng)格。汽車(chē)空調(diào)CFD計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 汽車(chē)空調(diào)CFD計(jì)算模型

2 空調(diào)溫度場(chǎng)分析與導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于溫度場(chǎng)和流場(chǎng)具有耦合關(guān)系，對(duì)出風(fēng)口溫度與風(fēng)量的優(yōu)化是一種雙目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，采用分步優(yōu)化法。首先在分析原結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，以各出風(fēng)口控制溫差為目標(biāo)對(duì)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，再以出風(fēng)口控制溫差為約束條件，以風(fēng)量均勻度為目標(biāo)對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終使出風(fēng)口風(fēng)量均勻度和溫差滿足設(shè)計(jì)要求。溫度場(chǎng)與流場(chǎng)耦合分析流程圖如圖3所示。

圖3 溫度場(chǎng)與流場(chǎng)耦合分析流程圖

2.1 汽車(chē)空調(diào)TCC分析

汽車(chē)空調(diào)TCC(Temperature Control Curve，簡(jiǎn)稱TCC)模式分為單模式、半模式和全模式。其中，單模式包括吹臉單模式、吹腳單模式和除霜單模式；半模式包括吹臉吹腳半模式和吹腳除霜半模式；全模式為吹臉吹腳除霜模式。此型號(hào)汽車(chē)空調(diào)的吹臉風(fēng)道和除霜風(fēng)道為共用風(fēng)道，僅吹臉和除霜的出風(fēng)口有所區(qū)別，若吹臉吹腳半模式的溫差達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則吹腳除霜半模式的溫差也滿足標(biāo)準(zhǔn)。因此對(duì)吹臉吹腳半模式和吹臉單模式下的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真和試驗(yàn)分析。在做TCC分析的時(shí)候，對(duì)模擬的溫度值不作定量評(píng)價(jià)，但各出風(fēng)口溫差值需滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)此型號(hào)空調(diào)的溫差標(biāo)準(zhǔn)，吹臉吹腳半模式下吹臉出風(fēng)口與吹腳出風(fēng)口的溫差需小于26 ℃；吹臉單模式下，各出風(fēng)口溫差需小于5℃。根據(jù)各個(gè)模式所關(guān)心的風(fēng)門(mén)開(kāi)度，吹臉吹腳半模式下混合風(fēng)門(mén)開(kāi)度分別開(kāi)20%、30%、50%、60%、80%；吹臉單模式下混合風(fēng)門(mén)開(kāi)度分別開(kāi)20%、30%、50%。

2.2 邊界條件設(shè)置

本文使用STAR CCM+軟件對(duì)汽車(chē)空調(diào)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解。入口為質(zhì)量流量，其速率為4.4 kg/min，出口為壓力，壓力大小與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相同。流體根據(jù)密度是否為常數(shù)分為可壓縮流體和不可壓縮流體，多數(shù)條件下，空氣為可壓縮流體。但在聲速遠(yuǎn)大于氣體流速的情況下，空氣可按不可壓縮流體處理[5]。在汽車(chē)空調(diào)內(nèi)部流場(chǎng)的仿真計(jì)算中，將空調(diào)內(nèi)部的空氣按不可壓縮處理；在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣密度為1.292 kg/m3。在CFD模擬中，將蒸發(fā)器和暖風(fēng)芯子設(shè)置成多孔介質(zhì)[6]。吹臉吹腳半模式下原始方案的溫差仿真結(jié)果如表1所示，風(fēng)門(mén)開(kāi)度為60%時(shí)的溫度云圖如圖4所示，吹臉單模式下溫差的仿真結(jié)果如表2所示。

表1 吹臉吹腳半模式下原始方案的溫差仿真結(jié)果

圖4 吹臉吹腳半模式下原始方案風(fēng)門(mén)開(kāi)度為60%時(shí)的溫度云圖

表2 吹臉單模式下原始方案溫差的仿真結(jié)果

原始方案的仿真結(jié)果表明，在吹臉吹腳半模式60%風(fēng)門(mén)開(kāi)度時(shí)，吹臉與吹腳出風(fēng)口的溫差為27.1 ℃，不滿足小于26 ℃的要求；在吹臉單模式20%、30%、50%風(fēng)門(mén)開(kāi)度時(shí)，吹臉出風(fēng)口溫差均大于5 ℃的溫差標(biāo)準(zhǔn)，不符合溫差標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 優(yōu)化方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

原始方案仿真結(jié)果表明，吹臉吹腳半模式60%風(fēng)門(mén)開(kāi)度時(shí)的溫差結(jié)果是不滿足標(biāo)準(zhǔn)的，根據(jù)流線圖(見(jiàn)圖5)可以看出，吹臉吹腳半模式下更多的熱風(fēng)吹向右吹腳風(fēng)道，使右吹腳出風(fēng)口的溫度很高，導(dǎo)致吹臉吹腳的溫差過(guò)大，所以優(yōu)化方案將導(dǎo)流板中間的擋板封閉并向下縮減，在左右兩側(cè)對(duì)稱位置各加一塊扇形結(jié)構(gòu)擋板，使通往右吹腳的熱風(fēng)分流去往中間吹臉出風(fēng)口。原始方案和優(yōu)化方案的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)如圖6所示。吹臉單模式下導(dǎo)流板優(yōu)化方案的溫度仿真結(jié)果如表3所示。吹臉吹腳半模式下導(dǎo)流板優(yōu)化方案的溫度仿真結(jié)果如表4所示。

圖5 原始方案吹臉吹腳半模式風(fēng)門(mén)開(kāi)度為60%時(shí)的流線圖

圖6 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)

表3 吹臉單模式下導(dǎo)流板優(yōu)化方案溫度仿真結(jié)果

表4 吹臉吹腳半模式下導(dǎo)流板優(yōu)化方案溫度仿真結(jié)果

對(duì)比導(dǎo)流板優(yōu)化前后結(jié)果可以得出，優(yōu)化方案在吹臉吹腳半模式、吹臉單模式下的溫差結(jié)果均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)空調(diào)溫差的改善有著明顯效果。

基于優(yōu)化方案CFD模擬的結(jié)果，將導(dǎo)流板做出樣件，進(jìn)行TCC臺(tái)架試驗(yàn)的驗(yàn)證。此試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架由風(fēng)量臺(tái)、TCC性能測(cè)試臺(tái)架、邏輯控制儀、空調(diào)總成、風(fēng)道、數(shù)據(jù)采集儀、溫度傳感器等組成。為了準(zhǔn)確測(cè)出各出風(fēng)口的溫度，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在每個(gè)出風(fēng)口的四條邊的中心位置各布置一個(gè)溫度傳感器，即每個(gè)出風(fēng)口共四個(gè)溫度傳感器，最終出風(fēng)口溫度為這四個(gè)溫度傳感器測(cè)得溫度的平均值。試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架和導(dǎo)流板優(yōu)化方案的樣件如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

由表5可以看出，由于試驗(yàn)過(guò)程中可能存在樣件制作裝配的偏差，風(fēng)門(mén)閉合不足，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素等的影響，使仿真和試驗(yàn)結(jié)果不能完全一致，但溫差曲線趨勢(shì)基本一致，空調(diào)出風(fēng)口溫差都滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 吹臉吹腳半模式下導(dǎo)流板優(yōu)化方案的溫差試驗(yàn)結(jié)果

3 空調(diào)流場(chǎng)分析與風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 原始風(fēng)道流場(chǎng)及風(fēng)量仿真計(jì)算

對(duì)于汽車(chē)空調(diào)風(fēng)量的考慮，通常都是在吹臉全冷模式下進(jìn)行，以前面導(dǎo)流板優(yōu)化的溫度場(chǎng)為約束條件，對(duì)風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，各出風(fēng)口風(fēng)量均勻度需大于97%。吹臉全冷模式下導(dǎo)流板優(yōu)化方案的風(fēng)量分配百分比如表6所示，原始風(fēng)道的速度流線圖如圖8所示。

圖8 原始風(fēng)道速度流線圖

表6 吹臉全冷模式下導(dǎo)流板優(yōu)化方案的風(fēng)量分配百分比 %

通過(guò)吹臉全冷模式下導(dǎo)流板優(yōu)化方案的風(fēng)量分配百分比可知，左中吹臉出風(fēng)口風(fēng)量的均勻度為96.8%，不滿足出風(fēng)口風(fēng)量的均勻度大于97%的標(biāo)準(zhǔn)。

由于風(fēng)道形狀的改變，使流體在風(fēng)道形狀變化處分離。分離的流體一般含有不同剪切強(qiáng)度、不同尺度的渦或波[7]。通過(guò)對(duì)左側(cè)吹臉風(fēng)道、右側(cè)吹臉道、左中吹臉風(fēng)道的風(fēng)量結(jié)果和速度流線圖分析表明，由于風(fēng)道形狀的突變，左側(cè)吹臉風(fēng)道和出風(fēng)口的連接拐角處，存在較大渦流；右側(cè)吹臉風(fēng)道和出風(fēng)口的連接拐角處，同樣存在許多無(wú)效渦流；左中吹臉風(fēng)道與出風(fēng)口連接處存在較大渦流，并且此處幾乎沒(méi)有風(fēng)通過(guò)，同時(shí)又增加了風(fēng)阻，使風(fēng)量無(wú)謂的損失。

3.2 風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于在風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程中，內(nèi)飾的布置不應(yīng)受到其影響，故本文將出風(fēng)口保留，僅針對(duì)風(fēng)道非出風(fēng)口部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)原始吹臉風(fēng)道速度流線圖和風(fēng)量分配結(jié)果分析，左側(cè)吹臉風(fēng)道和右側(cè)吹臉風(fēng)道優(yōu)化的主要目標(biāo)是為了減少甚至切除渦流的產(chǎn)生，降低管道內(nèi)的風(fēng)阻和動(dòng)力損失；左中吹臉風(fēng)道的優(yōu)化目標(biāo)主要是為了提升風(fēng)量，增加風(fēng)道內(nèi)的有效流動(dòng)，因此風(fēng)道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案為：將兩側(cè)吹臉風(fēng)道拐角處尖角突出部分優(yōu)化成圓弧形過(guò)渡，將左中吹臉風(fēng)道向外突出部分優(yōu)化成圓弧形向內(nèi)凹進(jìn)。原始和優(yōu)化方案的風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖9和圖10所示。

圖9 原始風(fēng)道結(jié)構(gòu)

圖10 風(fēng)道優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)

吹臉全冷模式下風(fēng)道優(yōu)化方案的風(fēng)量分配百分比結(jié)果如表7所示。

表7 吹臉全冷模式下風(fēng)道優(yōu)化方案的風(fēng)量分配百分比 %

由表7可以看出，各出風(fēng)口風(fēng)量的均勻度均滿足大于97%的標(biāo)準(zhǔn)。由于風(fēng)門(mén)開(kāi)度為50%時(shí)的溫差受風(fēng)量影響較大，故對(duì)吹臉吹腳半模式風(fēng)門(mén)開(kāi)度為50%時(shí)進(jìn)行模擬，吹臉吹腳半模式下風(fēng)道優(yōu)化方案在風(fēng)門(mén)開(kāi)度50%時(shí)的溫度模擬結(jié)果如表8所示。

表8 吹臉吹腳半模式下風(fēng)道優(yōu)化方案風(fēng)門(mén)開(kāi)度50%時(shí)的溫度模擬結(jié)果 ℃

由表8可以看出，吹臉吹腳溫差為25.1 ℃，滿足溫差小于26 ℃的標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)道優(yōu)化后的速度流線圖如圖11所示。

圖11 風(fēng)道優(yōu)化方案速度流線圖

優(yōu)化結(jié)果顯示，各出風(fēng)口風(fēng)量均勻度達(dá)標(biāo)，風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化的地方，渦流減少或基本沒(méi)有渦流產(chǎn)生，且吹臉吹腳的溫差也滿足要求。

4 結(jié) 論

針對(duì)汽車(chē)空調(diào)內(nèi)部的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合問(wèn)題，本文采用分步優(yōu)化方法，首先運(yùn)用CFD方法，在分析原結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，以各出風(fēng)口控制溫差為目標(biāo)對(duì)擋流板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使吹臉吹腳半模式風(fēng)門(mén)開(kāi)度為60%和吹臉單模式三種風(fēng)門(mén)開(kāi)度狀態(tài)下的溫差各自達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)；再以出風(fēng)口控制溫差為約束條件，以風(fēng)量均勻度為目標(biāo)，結(jié)合流場(chǎng)分析對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使出風(fēng)口風(fēng)量和溫度同時(shí)滿足了設(shè)計(jì)要求。

將溫度和風(fēng)量這兩個(gè)關(guān)鍵的影響因素耦合起來(lái)，運(yùn)用CFD方法，分步對(duì)汽車(chē)空調(diào)內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行模擬及優(yōu)化，大大縮短了空調(diào)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)間，節(jié)省了成本，為汽車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)提供了行之有效的新思路。