運(yùn)用CFD對(duì)汽車空調(diào)HVAC的改善設(shè)計(jì)

劉曉宇

【摘 要】汽車空調(diào)HVAC的內(nèi)部氣流受到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)干擾時(shí)，其流向、狀態(tài)、壓力等流場(chǎng)形態(tài)會(huì)發(fā)生改變，并且會(huì)對(duì)HVAC風(fēng)量、噪聲品質(zhì)等產(chǎn)生影響，進(jìn)而降低用戶的舒適性體驗(yàn)。文章運(yùn)用CFD分析方法對(duì)某款車型空調(diào)HVAC在設(shè)計(jì)開發(fā)階段遇到的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量降低、葉輪氣動(dòng)噪聲、蝸殼氣流噪聲3個(gè)問題進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，通過仿真分析結(jié)果針對(duì)氣流干擾部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改善，利用試驗(yàn)對(duì)改善方案進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，證明了CFD仿真方法分析的有效性，為空調(diào)HVAC在設(shè)計(jì)階段的流場(chǎng)性能改善、NVH風(fēng)噪改善及數(shù)據(jù)定型提供了有益的參考。

【關(guān)鍵詞】汽車HVAC;CFD;問題改善;NVH

【中圖分類號(hào)】TH164 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）04-0057-03

CFD（計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)具有成本低、周期短、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，適合在前期指導(dǎo)汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此CFD仿真分析在汽車空調(diào)設(shè)計(jì)階段非常重要。邢陽等人[1]采用SST兩方程模型通過數(shù)值仿真分析指導(dǎo)空調(diào)HVAC（供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整蒸發(fā)器進(jìn)氣前段結(jié)構(gòu)（臺(tái)階與擋風(fēng)筋）使蒸發(fā)器通風(fēng)面速度均勻性指標(biāo)EAPI得到提升，結(jié)果顯示對(duì)單體制冷量的利用率的提高有較大的作用，同時(shí)蝸殼擴(kuò)壓段有效擴(kuò)壓會(huì)增加風(fēng)機(jī)風(fēng)量，有利于空調(diào)HVAC整體性能的提升。吳金玉[2]通過FLUENT對(duì)某款車型的HVAC及風(fēng)道內(nèi)部的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行CFD分析，評(píng)價(jià)HVAC的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，空氣流過時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生偏流或渦旋等不利現(xiàn)象，分析風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)量分配和送風(fēng)量的影響并提出優(yōu)化方向。葉立[3]對(duì)HVAC制熱除霜模式進(jìn)行CFD模擬分析，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果相互吻合。通過分析模擬結(jié)果的流線、速度和壓力圖，針對(duì)蒸發(fā)器及蒸發(fā)器前流道與進(jìn)口位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后流場(chǎng)均勻性及渦流問題得到有效改善，空調(diào)除霜效果得到增強(qiáng)，同時(shí)能耗有所下降。

上述分析表明，運(yùn)用仿真技術(shù)能夠?qū)照{(diào)HVAC結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的幫助。本文對(duì)一款空調(diào)HVAC設(shè)計(jì)過程中的問題進(jìn)行分析判斷及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善，對(duì)比改善前后的仿真結(jié)果，可幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)影響設(shè)計(jì)指標(biāo)的原因，從而有助于及時(shí)做出結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善，為HVAC開發(fā)數(shù)據(jù)凍結(jié)提供有效的指導(dǎo)。

1 仿真改善設(shè)計(jì)目的

汽車空調(diào)HVAC內(nèi)部風(fēng)流的傳遞路徑依次為進(jìn)風(fēng)口、葉輪、電機(jī)、調(diào)速模塊、濾網(wǎng)、蒸發(fā)器芯體、暖風(fēng)器芯體、導(dǎo)風(fēng)風(fēng)門、各模式風(fēng)口，開啟空調(diào)后，風(fēng)流經(jīng)過這些部件后，風(fēng)口的流向、氣體的壓力等情況受到部件結(jié)構(gòu)的作用或干擾，將使氣流的流向、狀態(tài)、壓力等發(fā)生改變。在HVAC內(nèi)部，氣流發(fā)生改變，將最終影響HVAC發(fā)出的氣流噪聲、噪聲品質(zhì)、出風(fēng)分配比例、出風(fēng)口表面氣流均勻性等設(shè)計(jì)品質(zhì)指標(biāo)。本文所述的某款車型空調(diào)HVAC在設(shè)計(jì)開發(fā)階段遇到了類似問題，運(yùn)用CFD數(shù)值模擬分析的目的，是為了通過仿真手段快速找出引發(fā)問題的原因，并解決問題。

2 仿真分析軟件的選擇及設(shè)置

2.1 軟件工具的選擇

在整個(gè)項(xiàng)目中，使用了如下軟件工具：Hypermesh（幾何處理及面網(wǎng)格生成）、Tgrid（體網(wǎng)格生成）、Fluent（吹面舒適性的計(jì)算）。

2.2 CFD分析計(jì)算采用商用軟件Fluent完成

采用商用軟件Fluent進(jìn)行CFD分析計(jì)算：計(jì)算采用有限體積法（FVM），計(jì)算中速度壓力之間的關(guān)系采用SIMPLE算法完成，采用高質(zhì)量的四面體計(jì)算網(wǎng)格，對(duì)于N-S方程的求解采用基于壓力的隱式格式。

2.3 物理模型和網(wǎng)格劃分

空調(diào)系統(tǒng)HVAC計(jì)算模型如圖1所示，由進(jìn)風(fēng)箱、風(fēng)機(jī)、空調(diào)濾芯、蒸發(fā)器芯體及空調(diào)殼體組成，模型對(duì)空調(diào)HVAC結(jié)構(gòu)中小于5 mm的圓角進(jìn)行去圓角簡(jiǎn)化處理，空調(diào)濾芯及蒸發(fā)器模型簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)。為了確保HVAC內(nèi)部風(fēng)道流場(chǎng)及模擬分析的質(zhì)量，對(duì)風(fēng)機(jī)、出風(fēng)風(fēng)道、擋風(fēng)玻璃劃分的網(wǎng)格加密;前處理軟件采用Hypermesh軟件，網(wǎng)格生成軟件采用Hypermesh+gambit+Tgrid 3種軟件組合，計(jì)算軟件使用Fluent軟件。模型中采用混合網(wǎng)格單元，總共生成9 057 823網(wǎng)格單元。工況設(shè)定如下：①Inlet（壓力入口），入口壓力設(shè)置為0 Pa;②Outlet（壓力出口），出口壓力設(shè)置為0 Pa;③12 V、13.5 V兩種工況下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為3 680 r/min和4 030 r/min。

3 問題分析及結(jié)果對(duì)比

3.1 進(jìn)風(fēng)口增加格柵對(duì)風(fēng)量的影響

3.1.1 問題描述

為保持車內(nèi)空氣新鮮、干燥，使車內(nèi)人員保持清醒、車窗不結(jié)霜和霧，汽車空調(diào)HVAC會(huì)設(shè)置外循環(huán)進(jìn)風(fēng)口用于換氣，設(shè)計(jì)上為了不影響出風(fēng)口風(fēng)量、減小進(jìn)氣壓力，一般空調(diào)HVAC外循環(huán)風(fēng)口的開口大小需不小于空調(diào)HVAC的出風(fēng)口大小，以本文中的空調(diào)HVAC為例，外循環(huán)進(jìn)風(fēng)口的開口大小為400 mm×200 mm。外循環(huán)進(jìn)風(fēng)口和車外相通，車輛停在戶外時(shí)，外循環(huán)進(jìn)風(fēng)口開口尺寸較大，而且其連接的風(fēng)道處正好形成一個(gè)窩洞，存在老鼠等從車身排水管爬入，造成空調(diào)HVAC的風(fēng)機(jī)風(fēng)門損壞、內(nèi)部臟污等問題的風(fēng)險(xiǎn)，此問題引起過多起客戶投訴維修案例。為了解決此問題，在設(shè)計(jì)上需考慮在進(jìn)風(fēng)口處增加一個(gè)14 mm×14 mm的防鼠格，但又不能因?yàn)樵黾拥姆朗蟾裾趽踉斐煽照{(diào)HVAC進(jìn)風(fēng)風(fēng)阻明顯下降及風(fēng)量降低。因此，運(yùn)用CFD進(jìn)行仿真模擬進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1.2 模擬值校正

在CFD仿真分析中，考慮工程效率及計(jì)算算力資源有限，通常對(duì)幾何模型局部細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，同時(shí)湍流計(jì)算模型中對(duì)渦流耗散過程的簡(jiǎn)化，以及流固壁面剪切力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，導(dǎo)致仿真計(jì)算結(jié)果會(huì)存在一定誤差，因此需對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以考察仿真結(jié)果存在的誤差是否在工程可接受范圍內(nèi)。本文對(duì)比了全冷吹面模式風(fēng)量計(jì)算值與試驗(yàn)值（見表1）：仿真計(jì)算值比試驗(yàn)值大，仿真值與試驗(yàn)值偏差較小，兩者最大偏差為2%，所以認(rèn)為計(jì)算所選數(shù)學(xué)模型、計(jì)算方法及邊界條件的設(shè)置是合理的，仿真結(jié)果是可靠的。

3.1.3 壓降結(jié)果分析對(duì)比

進(jìn)風(fēng)箱壓降計(jì)算值見表2。由表2可知，在12 V電壓情況下，外循環(huán)增加格柵，進(jìn)風(fēng)箱壓降增大20 Pa，增大比例為10.2%;在13.5 V電壓情況下，外循環(huán)增加格柵，進(jìn)風(fēng)箱壓降增大25 Pa，增大比例為10.7%。

3.1.4 風(fēng)量結(jié)果分析及對(duì)比

空調(diào)HVAC風(fēng)量計(jì)算值見表3。由表3可以看出，在12 V電壓情況下，外循環(huán)增加格柵，空調(diào)HVAC風(fēng)量降低12 m3/h，降低比例為2.3%;在13.5 V電壓情況下，外循環(huán)增加格柵，空調(diào)HVAC風(fēng)量降低19 m3/h，降低比例為3.3%。

3.1.5 校正結(jié)果分析

一是通過全冷吹面模式風(fēng)量仿真計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證可知，此仿真模型應(yīng)用于流場(chǎng)風(fēng)量分析，計(jì)算結(jié)果對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果誤差最大為2%，滿足工程化應(yīng)用5%的需求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)HVAC設(shè)計(jì)的參數(shù)優(yōu)化指導(dǎo)。二是增加外循環(huán)格柵結(jié)構(gòu)，在最大鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，HVAC進(jìn)風(fēng)段壓降增大比例為10.7%，空調(diào)HVAC整體風(fēng)量下降3.3%，考慮到增加進(jìn)口格柵對(duì)空調(diào)HVAC運(yùn)行穩(wěn)定性及對(duì)空調(diào)HVAC的風(fēng)量影響較小，建議在進(jìn)風(fēng)箱進(jìn)風(fēng)口增加此格柵結(jié)構(gòu)。

3.2 風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)口端的氣流噪聲的改善

3.2.1 問題描述

低速氣流進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣風(fēng)道內(nèi)，受到高速旋轉(zhuǎn)葉片的作用力后變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)氣流，在離心力的作用下，氣流進(jìn)入葉輪內(nèi)部葉片通道并向葉輪外側(cè)流動(dòng)，并在葉輪外側(cè)產(chǎn)生高速高壓氣流，由于葉輪上方與蝸殼殼體在配合上存在一定間隙，葉輪外側(cè)高壓氣流通過此間隙向葉輪內(nèi)側(cè)低壓區(qū)流動(dòng)，這部分流動(dòng)的氣流與葉輪進(jìn)氣口氣流合流，并且在葉輪葉片上端內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生較大氣流速度，而此處葉片拐角角度較小，導(dǎo)致在葉片拐角區(qū)域形成復(fù)雜的高速紊流，在高速紊流與高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片表面共同作用下產(chǎn)生局部較大速度梯度及渦流。由于高速渦流是產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的主要原因，因此對(duì)此處局部流場(chǎng)進(jìn)行CFD優(yōu)化可以有效降低鼓風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲水平。

3.2.2 數(shù)據(jù)改善對(duì)比

由于葉輪葉片上端內(nèi)側(cè)拐角的角度較小，流動(dòng)氣流會(huì)產(chǎn)生較高的氣流速度和速度梯度，為消除這種不利的高速氣流及降低速度梯度，考慮增大葉輪葉片上端拐角弧度，可以有效減小此處拐角表面氣流行程，降低此處氣流速度及速度梯度，有利于改善此處氣動(dòng)噪聲水平。

3.2.3 改善前后仿真結(jié)果對(duì)比

改善后，葉輪葉片上端拐角弧度增大，該區(qū)域氣流流速明顯減小及速度梯度明顯降低，有利于減小此處因高速紊流產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲。說明通過CFD分析顯示葉輪局部較大速度氣流梯度及渦流，通過增大葉片上端拐角弧度，可以有效降低該區(qū)域氣流流速及速度梯度，有利于減小此處因高速紊流產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲。

3.3 鼓風(fēng)機(jī)蝸殼的氣流噪聲的改善

3.3.1 問題描述

鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口段將氣流從進(jìn)口導(dǎo)入葉輪中間進(jìn)口區(qū)域，在進(jìn)口至葉輪入口段形成負(fù)壓區(qū)域，氣流經(jīng)過葉輪葉片做功后壓力及動(dòng)能增大，氣流向外側(cè)流出并經(jīng)過蝸殼導(dǎo)向后方HVAC通道。鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口處表面壓力的分布情況：在靠近鼓風(fēng)機(jī)出口蝸舌的流道位置出現(xiàn)明顯的低壓區(qū)域，形成較大的壓力降，不僅造成能量損失，而且容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。這主要是因?yàn)闅饬髟诳拷伾嗟奈仛ぶ挟a(chǎn)生較大的壓力差，在大流量時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣流由蝸殼返回至葉輪進(jìn)口區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域及葉輪進(jìn)口部位的氣流流動(dòng)復(fù)雜，在此處形成較大速度的渦流，從而產(chǎn)生局部較低壓力區(qū)域，因此需對(duì)該處流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.3.2 數(shù)據(jù)改善對(duì)比

通過在葉輪進(jìn)口低壓區(qū)附近蝸殼表面增加月牙形擋板結(jié)構(gòu)阻止該處葉輪外側(cè)氣流回流至葉輪進(jìn)口，降低該處葉輪進(jìn)口氣流速度及減少該處渦流的形成，減少進(jìn)口低壓區(qū)。

3.3.3 改善樣件前后試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證優(yōu)化方案結(jié)果，按仿真優(yōu)化方案，制作一套快速成型件，用以控制蝸殼處的氣流并進(jìn)行實(shí)際NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）測(cè)試對(duì)比，對(duì)比優(yōu)化前后的噪聲頻譜可以看出，優(yōu)化后的噪聲幅值在125～200 Hz的頻率范圍均有所降低，特別是在130 Hz處峰值得到有效削減，峰值下降約15 dB。同時(shí)，主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果也表明，實(shí)施該方案后，氣流轟鳴聲得到明顯改善。

3.3.4 氣流噪聲改善結(jié)果分析

一是通過對(duì)鼓風(fēng)機(jī)CFD仿真結(jié)果進(jìn)行分析，在鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口處表面壓力分布中出現(xiàn)明顯的低壓區(qū)域，形成較大的壓力梯度，分析此處流場(chǎng)結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生振動(dòng)和噪音的原因。通過在葉輪進(jìn)口低壓區(qū)附近蝸殼表面增加月牙形擋板阻止該處葉輪外側(cè)氣流回流至葉輪進(jìn)口，降低該處葉輪進(jìn)口氣流速度及減少該處渦流形成，從而減少渦輪進(jìn)口低壓區(qū)域，達(dá)到降低該處氣動(dòng)噪聲的目的。

二是通過開展NVH試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后的噪聲幅值在125～200 Hz的頻率范圍均有所降低，特別是在130 Hz處峰值得到有效削減，峰值下降約15 dB。同時(shí)，主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果也表明，實(shí)施該方案后，空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)的噪聲改善明顯。通過CFD仿真分析、試驗(yàn)分析與驗(yàn)證、主觀評(píng)價(jià)，對(duì)該優(yōu)化方案進(jìn)行了一個(gè)系統(tǒng)的研究與驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與CFD仿真結(jié)果具有一致性。

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用CFD數(shù)值模擬分析技術(shù)對(duì)空調(diào)HVAC在開發(fā)設(shè)計(jì)階段遇到的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量降低、葉輪氣動(dòng)噪聲、蝸殼氣流噪聲3個(gè)問題展開仿真模型分析，通過分析問題原因進(jìn)行了數(shù)據(jù)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真對(duì)比結(jié)果及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，3個(gè)問題的優(yōu)化方案有效，可為后續(xù)HVAC氣動(dòng)噪聲優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]邢陽，申秀敏，李明，等.基于CFD分析的汽車空調(diào)EAPI優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2020，37（9）：112-119.

[2]吳金玉，陳江平.汽車空調(diào)蒸發(fā)器總成及風(fēng)道的數(shù)值研究[J].流體機(jī)械，2008（7）：59-62.

[3]葉立，張夢(mèng)伢，葉歡，等.基于CFD的新能源汽車HAVC除霜模式研究[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，35（2）：17-22.