暖風(fēng)芯體換熱性能CFD 三維仿真分析

王大健， 王 浩， 張 騫， 張金森

（南京協(xié)眾汽車空調(diào)集團有限公司， 江蘇 南京 211100）

1 引言

隨著社會的不斷進步，人們生活水平有了顯著提高，人們對汽車的要求也從使用性向舒適性過渡。乘員艙舒適性是評價一輛汽車整體舒適性的重要指標(biāo)，也是各大廠商推銷的一大賣點，所以汽車廠對汽車空調(diào)也提出了更高的要求。汽車空調(diào)從功能上分主要有吹面、吹腳、除霜三大部分，其中吹腳、除霜兩大功能均與暖風(fēng)芯體的性能息息相關(guān)，如果空調(diào)箱內(nèi)暖風(fēng)芯體的換熱性能不足將直接導(dǎo)致汽車采暖及除霜性能下降，從而影響車內(nèi)乘員的舒適性，嚴(yán)重情況下可能使得汽車空調(diào)性能不能滿足法律法規(guī)要求，最終對汽車的銷量帶來不利影響［1］。

近年來，節(jié)能減排已經(jīng)成為了社會發(fā)展的主題，各公司也積極響應(yīng)國家的號召，大力推動公司的VAVE，開源節(jié)流，節(jié)能降本。每年公司在暖風(fēng)芯體產(chǎn)品研發(fā)過程中，為了提高暖風(fēng)芯體的換熱性能，投入了大量的人力物力，不斷進行樣件制作，樣件試驗。通過大量的試驗來提高暖風(fēng)芯體的換熱性能，不僅成本較高，而且時間較長，極大地影響了項目的開發(fā)周期。為了降低試驗成本，提高項目開發(fā)進度及效率，公司決定在暖風(fēng)芯體開發(fā)階段，通過CFD三維仿真來模擬暖風(fēng)芯體的換熱性能。

近幾年來，CFD數(shù)值仿真分析技術(shù)已日趨成熟。事實證明，在汽車設(shè)計開發(fā)過程中，CFD仿真分析是一種真實有效降低開發(fā)成本并提高工作效率的手段［2］。而隨著計算機性能的快速發(fā)展，計算機對網(wǎng)格處理能力快速提高，暖風(fēng)芯體換熱性能仿真也成為了可能。通過CFD仿真分析可直觀便捷地觀察到系統(tǒng)及零部件內(nèi)部流場的速度、壓力及湍流的詳細分布情況，彌補了試驗測試手段的不足，有利于設(shè)計人員在項目前期開發(fā)過程中能及時有效地發(fā)現(xiàn)問題并通過相應(yīng)的手段將其解決［3］。

本文以某公司兩款在研暖風(fēng)芯體作為研究對象，對其不同工況下的換熱性能進行仿真分析，并與試驗結(jié)果進行對比分析，探究暖風(fēng)芯體換熱性能CFD仿真分析的精度及可行性。通過對暖風(fēng)芯體空氣側(cè)及水側(cè)的流場分析，為后期工程師優(yōu)化提供參考及建議。

2 仿真模型搭建及設(shè)置

本次探究的暖風(fēng)芯體為I型暖風(fēng)芯體，下進上出，如圖1所示。本次CFD仿真的主要思路是同時計算空氣側(cè)和水側(cè)，來模擬實際換熱工況。由于網(wǎng)格質(zhì)量（面質(zhì)量、接近度、翹曲度等） 對仿真精度有很大的影響，而且暖風(fēng)芯體的翅片尺寸較小，扁管非常薄，為了提高仿真精度，需要將網(wǎng)格劃分得非常小。

圖1 暖風(fēng)芯體模型

在初步網(wǎng)格劃分過程中，CFD遇到了一個非常頭疼的問題。由于翅片尺寸較小，數(shù)量較多，為了體現(xiàn)翅片等局部細小特征，將面網(wǎng)格尺寸控制在0.3mm左右，在整個暖風(fēng)芯體面網(wǎng)格搭建過程中，網(wǎng)格數(shù)量巨大，直接導(dǎo)致軟件崩潰。

為了減少對計算機性能的要求，提高CFD仿真效率及可行性，CFD工程師通過查閱資料及討論，采用以少算多的方法來計算暖風(fēng)芯體的整體換熱性能。具體方法有兩種：方法1為先計算出每根扁管的流量，再計算每一根扁管換熱功率，加起來就是暖風(fēng)芯體的整體換熱性能；方法2為假設(shè)每根扁管的流量都相同，先計算出一根扁管的換熱功率，再乘以扁管總的數(shù)量，算出暖風(fēng)芯體的整體換熱性能。方法1的優(yōu)點是更貼近實際工況，缺點是需要進行多次計算，仿真效率較低；方法2的優(yōu)點是計算量小，缺點是每一根扁管的實際流量不相同，而仿真過程中按每根扁管流量相同來計算，與實際存在偏差。仿真模型如圖2所示。

圖2 暖風(fēng)芯體仿真模型

需要注意的是，本次仿真計算的對象是一根扁管，所以選擇了一根扁管及與其相連的上下翅片的一半作為研究對象。如圖3所示。

圖3 仿真模型局部網(wǎng)格

因為翅片的形狀對暖風(fēng)芯體的換熱性能有較大的影響，所以在劃分網(wǎng)格的時候需要盡可能體現(xiàn)翅片的局部特征。扁管及翅片固體域內(nèi)部除了邊界層起碼要布置2個網(wǎng)格單元，由于固體厚度很薄，所以體網(wǎng)格選擇薄體網(wǎng)格類型進行劃分，流體域體網(wǎng)格選擇多面體網(wǎng)格類型進行劃分。

3 計算工況及邊界條件

本次仿真分析，空氣側(cè)介質(zhì)為3℃和25℃空氣，暖風(fēng)芯體內(nèi)部流動介質(zhì)為50%體積濃度的乙二醇水溶液，入口采用質(zhì)量流量邊界，出口采用壓力邊界，氣壓值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，具體仿真分析工況及介質(zhì)屬性如表1所示。

表1 仿真計算工況

扁管及翅片的材料是鋁，密度為ρ=2700kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)k=220W/（m·K），比定壓熱容為Cp=870J/（kg·K）。

本次CFD仿真的原理是通過空氣側(cè)和水側(cè)同時計算來獲取暖風(fēng)芯體的整體換熱性能，水側(cè)熱量通過扁管傳遞給翅片，冷風(fēng)通過與翅片換熱來降低水側(cè)溫度，所以扁管及翅片需要設(shè)置為固體傳熱。而實際情況為多根扁管及翅片同時換熱，所以將風(fēng)洞上下兩個面創(chuàng)建為對稱面，提高與實際工況的吻合度。

在風(fēng)側(cè)及水側(cè)前后都設(shè)置兩個測點，用來監(jiān)測溫度變化，如圖4所示。因為在CFD仿真計算中，必須要設(shè)置監(jiān)測點來判斷計算是否收斂，有時候單看殘差的收斂性不能真實反映整個仿真計算的收斂性，所以本次仿真通過觀察測點的收斂性來判斷整個計算的收斂性。

圖4 設(shè)置風(fēng)側(cè)及介質(zhì)側(cè)溫度監(jiān)測點

4 計算結(jié)果分析

從圖5監(jiān)測點曲線可以看出，由于風(fēng)側(cè)和水側(cè)需要同時計算換熱，所以收斂相比普通模型收斂較慢，仿真計算在9500步時基本收斂，前風(fēng)測點溫度低于后風(fēng)測點溫度，前液測點溫度低于后液測點溫度，這也與實際情況相符。

圖5 監(jiān)測點溫度曲線

從圖6翅片外流場某段速度標(biāo)量云圖可以看出，在風(fēng)側(cè)進口及出口處風(fēng)速都很均勻，剛進入翅片后，氣流發(fā)生紊亂，局部流速變高，而后漸漸風(fēng)速降低。在經(jīng)過翅片中部變向后，氣流再次發(fā)生紊亂，局部流速再次變高，而后風(fēng)速降低，最后均勻流出翅片。

圖6 外流場某段速度標(biāo)量云圖

從圖7翅片外流場某段速度矢量云圖可以看出，氣流經(jīng)過翅片后，經(jīng)微通道調(diào)整方向，與翅片發(fā)生換熱，翅片的角度及長度對暖風(fēng)芯體換熱性能及流阻有著重要影響，所以開窗角度及長度也是暖風(fēng)芯體優(yōu)化的一個重要方向。

圖7 外流場某段速度矢量云圖

從圖8翅片及扁管溫度場分布云圖可以看出，右側(cè)進水，所以從右往左，水溫逐漸降低，上端進風(fēng)，所以從上往下水溫逐漸降低，右上角水溫最高，左下角水溫最低，與實際相符。

圖8 翅片及扁管溫度場分布云圖

5 仿真與試驗結(jié)果對比

由于方法1需要計算每一根扁管的流量及換熱，所以需要對每一根扁管進行編號，方便結(jié)果統(tǒng)計。又因為結(jié)構(gòu)原因，每一根扁管中間又存在隔板，所以一根扁管又分為迎風(fēng)側(cè)一端和背風(fēng)側(cè)一端。如圖9所示。

圖9 扁管編號示意圖

從各扁管換熱量圖（圖10）可以看出，從1號管至35號管，水流量逐漸降低，而且還非常明顯，這就說明暖風(fēng)芯體內(nèi)部各扁管流量不是均勻的，也說明了方法2與實際情況是存在差異的。水側(cè)和空氣側(cè)溫度也是從1號至35號越來越低，這也與圖8相符。此方法先算出35根扁管的換熱量，再相加得到整個暖風(fēng)芯體的換熱量。暖風(fēng)芯體的換熱量有空氣側(cè)換熱量和水側(cè)換熱量的區(qū)別，一般都選水側(cè)換熱量作為芯體的換熱量，所以仿真中也提取水側(cè)的換熱量與試驗結(jié)果進行對比。

圖10 各扁管換熱量圖

從表2可以看出，方法1和方法2仿真與試驗的誤差都很小，都能滿足精度要求。但是方法1計算量是方法2的35倍，如果扁管的數(shù)量更多，則方法1需要更大的計算量，這就與我們本次探究的目的不符，所以綜合考慮精度和時間因素，建議今后在暖風(fēng)芯體換熱性能仿真分析中采用方法2。

表2 暖風(fēng)芯體換熱量仿真與試驗對比

6 結(jié)論

通過本次對暖風(fēng)芯體換熱性能的CFD仿真分析及對標(biāo)，我們初步建立了暖風(fēng)芯體換熱性能CFD仿真分析的能力。方法1和方法2的仿真方法精度均小于2%，證明此仿真分析方法可行且具有可信度。在新型翅片及扁管結(jié)構(gòu)的研發(fā)工作中，能夠快速計算出芯體的換熱能力，提供給結(jié)構(gòu)工程師參考，大大降低了樣件的制作成本、人力成本及時間成本，對于縮短項目開發(fā)周期有著重要意義。