基于CFD分析的城市客車空調風道優(yōu)化

林 敏， 曹紅軍， 曾 青， 馬 強， 黎亦磊

(中車時代電動汽車股份有限公司， 湖南 株洲 412007)

城市客車運行時車門開啟頻繁，車內乘員密度大、流動性強，車內空間大，玻璃面積大，上述原因均可導致車廂內的熱負荷增大，所以制冷量的需求比其他車型要大一些[1-3]。在空調制冷量足夠大的情況下，冷風在風道出口的分布顯得尤為重要，已有文獻[4-7]從不同角度對空調風道模型進行了CFD仿真分析，不斷提高了仿真精度。在此基礎上，可根據(jù)車廂制冷需求利用CFD仿真軟件優(yōu)化風道結構[8-12]。

城市客車乘客門常用內擺門，在風道上開的滑槽孔配有擋風結構，漏風現(xiàn)象不明顯，另外內擺門的驅動機構體積相對較小，在風道內的阻擋作用也有限，對風量的分配影響較小。我司某款8.5 m車型采用塞拉門結構，風道上的開孔較大,漏風嚴重，另外塞拉門驅動系統(tǒng)復雜，體積龐大，容易阻塞風道，嚴重影響風量分布，設計初期需要對乘客門側風道進行CFD評估，優(yōu)化風道結構。

1 空調風道流場仿真分析

1.1 仿真模型的建立

當乘客門采用塞拉門時會進行如下改進：

1) 前乘客門處增加擋風板。如圖1所示，擋風板加在風道內側，既能改善前乘客門漏風情況，還能維持車廂布局的整體性和美觀性(風道一般采用統(tǒng)型風道，有的車型需要增加擋風板，有的不需要增加擋風板，擋風板加在風道內側，對風道外觀無影響)。

圖1 前門擋風板

2) 中乘客門頂部滑槽孔處設計擋風毛刷。中門毛刷結構如圖2所示，可進一步改善風道出風口的風量分布。

圖2 中門毛刷結構圖

客車用頂置空調蒸發(fā)器以及蒸發(fā)器風機是左右對稱分布，且個體完全獨立，相互影響較小，兩側風道的流量基本對稱，所以風道流場仿真大多采用左右風道分開仿真的方式。根據(jù)以上原則建立乘客門側風道流體區(qū)域三維模型，如圖3所示,圖中編號1、2、3、4代表相應的風道出風口，編號5、6代表方框展示的一排小尺寸的靜壓出風口，其中編號4的出風口代表風道尾部兩個可調出風口，門泵滑槽孔出風口沒有編號。依據(jù)風道結構尺寸長度，設定風道網(wǎng)格主尺寸為16 mm，空調進風口網(wǎng)格尺寸為8 mm，風道出風口網(wǎng)格尺寸為 2 mm，右側風道最終網(wǎng)格數(shù)目為6 175 831。

圖3 右側風道三維模型

仿真模型邊界條件設定：

1) 綜合考量風道流阻以及空調最大蒸發(fā)風量數(shù)據(jù)，設定空調蒸發(fā)風機出風口風速為18 m/s(體積風量÷出風口面積=風速，風速18 m/s對應的風量為1 617 m3/h)。

2) 風道出風口邊界設定為Opening邊界，壓力設定為0 Pa(表壓)。

3) 風道所有出風口開度全開，風道壁面為無滑移壁面。

最終風道仿真模型如圖4所示，雙向箭頭代表Opening邊界。

圖4 乘客門側風道仿真模型

1.2 仿真結果及優(yōu)化設計

1.2.1 仿真結果

右側風道出風流線圖如圖5所示，圖中顯示風道中的門泵系統(tǒng)有明顯的阻礙作用，只有少量的出風流線經(jīng)過門泵系統(tǒng)與風道之間的縫隙流向車頭方向，即出風經(jīng)過門泵系統(tǒng)后速度明顯下降。

圖5 乘客門側風道流線圖

提取編號1、2、3、4、5、6出風口的風速分別為2.9 m/s、2.1 m/s、3.4 m/s、3.75 m/s、3.9 m/s、6.2 m/s，其中2號出風口只有2.1 m/s,CJ/T 134—2001《城市公交空調客車空調系統(tǒng)技術條件》[1]規(guī)定風道出風口風速適宜范圍高于3 m/s，2號出風口風速明顯偏低，1號出風口風速也在3 m/s以下。

出風口風速分布原因分析如下：

1) 本車型空調安裝位置比較靠后，風道前部與空調蒸發(fā)風機出風口之間的風道侵入中乘客門門泵系統(tǒng)，中乘客門處風道的流通面積減小，流阻增大，流向風道前部的冷氣減少，導致出風口1、2風量風速偏小，風道尾部的出風口(編號3、4、6)風速偏大，直觀感受就是車廂前熱后冷。

2) 2號出風口靠近門泵系統(tǒng)，門泵系統(tǒng)侵入風道，風道截面在此處突然減小，風速會明顯增加，依據(jù)伯努利方程，總壓一定時，動壓升高，靜壓就會降低(出風口內側靜壓)，車廂靜壓一直維持在一個大氣壓的狀態(tài)，這時出風口內外靜壓差很低(相比其他出風口，2號出風口靜壓差最小)，導致2號出風口風速最小。

另外仿真結果顯示，門泵滑槽孔出口(位置見圖3)的冷氣流量為28.7 m3/h，占總進口風量1 617 m3/h的1.7%，擋風毛刷的設計效果很好。

1.2.2 結構優(yōu)化設計

針對風道前端風速風量偏小的問題，在保證空調制冷量足夠的前提下，可以采用成本較低的增加導風罩的優(yōu)化方案。導風罩簡易模型如圖6所示，導風罩截面尺寸取決于風道截面尺寸和蒸發(fā)風機出風口尺寸，導風罩長度取決于導流幾個蒸發(fā)風機出風口的出風。導風罩可以有效地改變氣流的方向和大小。依據(jù)本車型風道特點，設計以下優(yōu)化方案：

1) 優(yōu)化方案一。如圖7所示，導風罩安裝在右側兩個蒸發(fā)風機出風口的下方，右側兩個蒸發(fā)風機出風口風向是垂直向下的，經(jīng)過導風罩導向之后，風向主體會呈水平向右的趨勢。

2) 優(yōu)化方案二。如圖8所示，導風罩安裝在蒸發(fā)風機出風口中間，只導流左側第2個蒸發(fā)風機出風口的風量。由于只導流一個蒸發(fā)風機出風口的風量，所以該方案的導風罩長度只有優(yōu)化方案一的一半，但兩個優(yōu)化方案中的導風罩橫截面相同。

圖6 導風罩簡易模型

圖7 優(yōu)化方案一

圖8 優(yōu)化方案二

優(yōu)化方案仿真結果如下：

1) 從圖9可知，優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二的編號1、2出風口的風速增大，且都達到了3.4 m/s以上，編號3、4出風口由于導風罩的作用，風速變小，略低于3 m/s,由于3、4出風口空間位置比較近，制冷效果有疊加，兩者的出口風速可以適當小于3 m/s。

圖9 風道出風口風速分布

2) 空調出風口添加導風罩后的風道流線圖如圖10和圖11所示，圖中黑色方框處展示了導風罩的導風效果，相對于圖5初始方案的流線圖，導風罩對應蒸發(fā)器風機出風口風向明顯向右偏轉(車頭方向)，導風效果良好，與圖9中的數(shù)據(jù)相呼應。

圖10 優(yōu)化方案一風道流線圖

圖11 優(yōu)化方案二風道流線圖

3) 風道壓力場數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化方案一前兩個蒸發(fā)器風機出風口處的靜壓相對“初始模型”增大了130 Pa左右，而優(yōu)化方案二空調出風口靜壓無明顯增大。優(yōu)化方案一的導風罩流阻偏大，主要原因是導流罩橫截面尺寸偏小，與蒸發(fā)器風機出風口的流通面積不匹配。良好的導風罩設計一定要保證流通面積的匹配性。

綜合以上因素，優(yōu)化方案二風速風量分布適宜，導風罩流阻無明顯增大，此優(yōu)化方案最佳。實車生產采用優(yōu)化方案二，實車測試數(shù)據(jù)顯示CFD仿真分析準確可靠，風速數(shù)據(jù)誤差在10%以內，風量前后分布均勻，車廂前后無明顯溫差，沒有出現(xiàn)前熱后冷的情況。

2 結束語

設計初期進行空調風道CFD仿真分析，能提前預知并解決空調制冷問題，縮短樣車設計生產周期；另外針對歷史訂單車型空調制冷問題，通過CFD仿真分析也能快速制定整改方案；由于導風罩顯著的導流功能，設計時根據(jù)整車前后橋配重需求調整空調安裝位置，可以提升整車動力性能。