某型電動客車空調(diào)系統(tǒng)風道優(yōu)化的設(shè)計

魏家靜

金肯職業(yè)技術(shù)學院 江蘇省南京市 211156

1 引言

根據(jù)最近幾年中國客車行業(yè)的快速發(fā)展，客車的研發(fā)要求已然發(fā)生巨大的改變，消費者對客車整體的舒適性、節(jié)能性等提出更高的要求和期待。作為客車上重要的部件之一，電動客車空調(diào)的研究探索與性能開發(fā)也為電動客車引出了新的研究方向。

客車空調(diào)制冷性能使用效果的評價指標為降溫能力以及車內(nèi)溫度場的均勻性，影響降溫能力的因素有空調(diào)制冷量、風道內(nèi)的熱損失和實際制冷量。影響車內(nèi)溫度場的均勻性的因素有：空調(diào)的位置布置和風道出風口的布置。因此整車降溫能力和車內(nèi)溫度的均勻性都受到風道設(shè)計的影響。本文就是從風道這個方向入手，通過改變風口形狀及風道面積來進行空調(diào)性能的一系列優(yōu)化，以提高乘客的乘坐舒適性。

2 空調(diào)的選型與風道模型的建立

2.1 客車空調(diào)的選型

根據(jù)以上表1可知，該款空調(diào)的蒸發(fā)風量為每小時3200 立方米。

表1 松芝空調(diào)產(chǎn)品參數(shù)

風道設(shè)計計算

（1）風道截面面積計算

風道總的送風截面面積Fo=Lo/3600Vom；

Lo-蒸發(fā)器的送風量3200m/h；

Vo-風道內(nèi)冷空氣的流速，取5-8m/s；

經(jīng)計算得：Fo=0.136m。

鄉(xiāng)村振興，路先行。為徹底改變過去“下雨泥水一路淌，婚嫁車子進不了莊，稀泥糊子腿肚子深，十天八天難出村”的境況，該村積極開展“道路革命”，著力抓好道路提升工作，按照“建好、管好、護好、運營好”和“不走泥路、不走黑路、不走急路”的“四好三不”道路建設(shè)要求，實施道路硬化、樹木綠化、路燈亮化、長效機制凈化、標識標牌標線規(guī)范化“五化”建設(shè)，達到讓群眾方便出行、安全出行、文明出行、美麗出行的“四行”目標。目前，該村共修建水泥路4438米，改善了全村交通落后面貌，使廣大群眾走上了“致富路”。

（2）風道的截面面積

S=Fo/n m；

本文所用的空調(diào)是雙側(cè)單風向送風風道，所以n 的值為2。

經(jīng)計算得S=0.068m。

（3）風道送風口風速的計算

一般取2-5m/s。

2.2 應(yīng)用CATIA 軟件建立空調(diào)風道模型

本文中空調(diào)風道模型的建立運用的是CATIA 軟件，本文之所以選擇CATIA軟件，因為其特殊的三維繪圖功能能將風道系統(tǒng)幾何模型展現(xiàn)得真實立體，且結(jié)構(gòu)清晰明了，方便后期的流場模擬。

由于風道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以這里把它簡化成以下結(jié)構(gòu)：主體由兩排通風道構(gòu)成，總長為8000mm。在兩風道的水平側(cè)面位置安裝空調(diào)器，這里簡化成圓柱體，在空調(diào)器與風道之間連接的是兩根進氣歧管，風道的出風口安排在風道的正下方，規(guī)格是40mm×20mm，間距為343mm。

圖2 CATIA 三維建模圖2

2.3 應(yīng)用ICEMCFD 軟件劃分網(wǎng)格

本文網(wǎng)格的劃分采用的軟件是ANSYS ICEM CFD，生成網(wǎng)格是計算流體中最重要的環(huán)節(jié)。因ICEM 的功能很廣，結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格都可以生成，只要設(shè)定好我們所需要的模型與精度要求，網(wǎng)格的類型就可以確定下來。由于本文的流程模擬工作大部分由計算機來做，因此劃分生成網(wǎng)格占據(jù)了這部分工作的主要內(nèi)容，工作效率的提高直接取決于網(wǎng)格質(zhì)量。計算求解器采用 FLUENT 軟件，其在傳熱、流體的流動、多相流、燃燒等CFD 計算中被廣泛的應(yīng)用。以下就是空調(diào)風道模型網(wǎng)格圖。

圖3 網(wǎng)格劃分圖1

圖4 網(wǎng)格劃分圖2

圖5 網(wǎng)格劃分圖3

2.4 應(yīng)用FLUENT 軟件進行流場模擬計算

FLUENT 軟件可以支持包含ICEM 在內(nèi)的多種網(wǎng)格軟件，其功能是可以分析模擬復(fù)雜區(qū)域的傳熱現(xiàn)象和流體的流動。它能夠用于多種網(wǎng)格求解，各種需求的三維計算也能用它進行分析。Fluent 軟件能夠?qū)Χ喾N復(fù)雜流動問題進行模擬仿真。

1.先打開網(wǎng)格文件，選擇File →Read →mesh →Display；2. 指 定 計 算 區(qū) 域 的實際尺寸，在Gambit 建立區(qū)域時沒有尺寸的單位，此時應(yīng)該進行確定，Y →設(shè) 置 成-9.81， 點 擊scale →select →選 擇mm， 并check， 沒 有 出 現(xiàn) 負 值時方可進行下一步；3. 選模選擇湍流方程；4. 指定邊界條件和求解區(qū)域的材 料，Define →Models →Boundary conditions →inlet（入口）→在velocityinlet 中選擇velocity-inlet →設(shè)置初始流速 為2m/s →Specification Method →K and Epsilon →models →選 中energyoff →設(shè) 置 初 始 溫 度 為295k；5. 在 設(shè)置 出 口 時， 在Type 中 選 擇outflow，在wall-down 和wall-y 中 都 默 認 原來的初始溫度300k；6. 選擇計算方式，Solution →SIMPLEC →Solution Initialization → 選 擇 所 有 區(qū) 域all zones 開 始 初 始 化；7. 開 始 運算Run Calculation → 選 擇 次 數(shù)100次 → 開 始 計 算；8. Graphics and Animations →Contours →Temperature →選中區(qū)域查看溫度云圖。

2.5 云圖分析

由云圖顯示，兩側(cè)風道的主體顏色為淺藍，所對應(yīng)的溫度范圍是296+0.2k，局部區(qū)域為淺綠，所對應(yīng)的顏色范圍是298+0.2k，風道兩側(cè)的流場溫度不是特別均勻，與入口設(shè)定的初始溫度295k 相差不大。速度矢量圖顯示的單個風口的速度在1.35m/S 左右，與設(shè)定的初速度2m/s 相差也不大?？傮w而言整個模擬過程還算順暢，但是未能達到十分均勻的狀態(tài)。車廂內(nèi)部的流場與溫度場不僅與客車內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)還與風道的結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)，因此在下一章節(jié)中我將重點從風道的方面來對客車進行內(nèi)部流場的優(yōu)化。風道的布置走向、占用空間以及風道中空氣的流速等均是模擬的影響因素。

3 風道優(yōu)化的設(shè)計

3.1 設(shè)計考慮的因素

高質(zhì)量的空調(diào)系統(tǒng)需要滿足以下幾個條件：1. 安裝簡單，維修方便2. 運行時噪聲小3. 送風均勻且車內(nèi)溫度分布均勻4. 舒適性好。由于客車內(nèi)乘客較多, 車窗多, 接受太陽輻射多, 經(jīng)冷熱交換后由風道口排入車廂, 必然引起車廂內(nèi)空氣的流動, 因此送風口的結(jié)構(gòu)形式、布置位置及風道設(shè)計都將影響車廂內(nèi)氣流組織的流動,影響車廂內(nèi)溫度均勻性與降溫速率?？紤]到乘客多以及車窗多這兩個因素，客車的太陽輻射面積變大且發(fā)生冷熱交換的氣流量也會增大，經(jīng)過大致計算得該客車車身總熱負荷為55109kJ/h，若要保證車內(nèi)氣流組織流動均勻，送風口的結(jié)構(gòu)形式、布置位置以及風道設(shè)計都要做出合理的優(yōu)化改善，這樣才能提高車內(nèi)的溫度均勻性以及降溫速率。

由于風道初步設(shè)計的參數(shù)不夠完美化，因此流場的模擬效果并不是令人十分滿意。從上圖我們可以看到出風口的溫度云圖還存在較大的溫度梯度，這意味著電動客車內(nèi)部的溫度流場并不均勻，客人會有忽冷忽熱的體感，本著提高乘客舒適度的原則，因此我們需要做出一些優(yōu)化措施來改變流場溫度的均勻性。以下將從出風口形狀和風道的截面積兩個方面來進行風道的優(yōu)化設(shè)計。

3.2 改變出風口的形狀

空調(diào)出風口的位置，大小，型式直接影響到車內(nèi)氣流速度，流動方向，流場組織，本文從型式也就是形狀著手。市面上的空調(diào)出風口的形狀大致有矩型、圓型、條型等幾種。首先，優(yōu)化從改模型開始，用CATIA 軟件將原來的風口尺寸改為半徑為16mm 的圓形風口，并將原來的矩形尺 寸40mm×20mm 改 為10mm×80mm的條型風口。然后如上文所提到的步驟一樣，劃分網(wǎng)格，并進行模擬，模擬的溫度與速度矢量圖如下。

圖6 矩形風口的溫度云圖

圖7 條縫形風口的溫度云圖

圖8 圓形風口的溫度云圖

由溫度的梯度躍變顯示，圓型風口的流場溫度更為均勻，能夠滿足乘客的舒適度要求

圖9 矩形風口的速度矢量圖

圖10 條縫形風口的速度矢量圖

圖11 圓形風口的速度矢量圖

從圖中可以看出圓形出風口的效果最好。

3.3 改變風道的截面積

云圖中溫度場的分布位置是空調(diào)送風效果的直接反映，我們可以通過選擇恰當?shù)娘L道截面來解決車廂后部熱量積聚的問題，以調(diào)整車內(nèi)氣流組織的均勻性，發(fā)揮空調(diào)的最佳性能。

風道的截面如圖12 所示。因空調(diào)機組在車廂尾部安裝, 后頂部空間小, 原車后排沒有空調(diào)出風口, 使后排乘客無法享受到冷氣。由于空調(diào)機組安裝在車廂的尾部，后頂部空間窄小，所以在后排并沒有設(shè)置空調(diào)的出風口，因此坐在后排的乘客并不能感受到冷氣。在本文設(shè)計中后排增設(shè)4 個空調(diào)出風口, 并在主風道中增加小擋板以形成冷風分道,后經(jīng)軟管分別送至后排圓形出風口。在考慮到擋板的結(jié)構(gòu)形狀角度以及高度等因素后（這些都會影響到前后風量的分配以及出風口風量），應(yīng)將原來風道的截面優(yōu)化成如圖12b 所示的形狀。這個結(jié)構(gòu)的優(yōu)點有：1. 能夠給后三排提供冷氣，保障整個車內(nèi)冷氣的流通；2. 對主風道的送風效果不會起到任何影響作用；3. 解決了近風道擋板處出風口風量太小的問題。

圖1 CATIA 三維建模圖

圖12 風道截面圖

對模型圖加以修改后，重新劃分網(wǎng)格進行模擬計算，得到云圖如下所示?？梢院芮宄每闯鰜碛辛孙L道截面的改善后，風道內(nèi)的流場較前均勻，因此改變風道截面可以有效優(yōu)化車內(nèi)流場。

圖13 截面的溫度云圖

圖14 截面的溫度云圖

圖15 截面的速度矢量圖

圖16 截面的速度矢量圖

4 總結(jié)

因為本文重點只研究了客車夏季對空調(diào)的制冷需求，因此根據(jù)客車設(shè)計參數(shù)計算了空調(diào)夏季所需的制冷量，并對應(yīng)地在松芝空調(diào)品牌里找出了適合功率的空調(diào)類型。然后利用CATIA 軟件對空調(diào)風道進行第一次三維建模，后對模型進行網(wǎng)格劃分，最后用FLUENT 軟件進行客車內(nèi)部流場的模擬。通過模擬計算后的云圖分析結(jié)果顯示，由于最初建模時沒有將風道各個結(jié)構(gòu)充分考慮到位，溫度云圖難免會有較大的溫度階梯，因此導(dǎo)致車內(nèi)流場的不均勻性。所以在任務(wù)后期，需要對已建立的模型進行優(yōu)化，本文主要從改變風口的形狀、改變風道的橫截面、兩個方面來對風道優(yōu)化處理。在根據(jù)以上兩個方向修改過模型之后，重復(fù)上述已介紹的步驟，進行網(wǎng)格劃分，流場模擬，最終通過比對溫度云圖的均勻性和速度云圖的均勻性來選擇最優(yōu)的設(shè)計方式。