風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)在空調(diào)箱開(kāi)發(fā)階段應(yīng)用

[摘 要]本文提出通過(guò)風(fēng)阻系數(shù)代替實(shí)際風(fēng)道來(lái)進(jìn)行空調(diào)箱流場(chǎng)三維仿真。在實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于整車(chē)布置的不確定性，導(dǎo)致主機(jī)廠無(wú)法提供準(zhǔn)確的風(fēng)道數(shù)據(jù)，導(dǎo)致CFD無(wú)法對(duì)空調(diào)箱的風(fēng)量分配及總風(fēng)量進(jìn)行仿真分析。所以，本文通過(guò)將風(fēng)道簡(jiǎn)化成多孔介質(zhì)，并通過(guò)風(fēng)阻系數(shù)來(lái)設(shè)定風(fēng)道的背壓，進(jìn)行三維仿真計(jì)算，為空調(diào)箱性能優(yōu)化提供參考性建議，縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。

[關(guān)鍵詞]空調(diào)箱；風(fēng)阻系數(shù)；三維仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.851 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " 文章編號(hào)：1003—8639（2023）07

Application of duct drag coefficient in the development stage of HVAC

Wang Dajian Wang Hao " Zhang Qian

（Nanjing Xiezhong Auto-Airconditioner Group Co.，Ltd ）

Abstract： This paper proposes to use the wind resistance coefficient instead of the actual air duct to carry out the three-dimensional simulation of the flow field of the air conditioning tank. In the actual project development process，due to the uncertainty of vehicle layout，the Oems cannot provide the prepared air duct data，which leads to the failure of CFD to simulate and analyze the air volume distribution and total air volume of the air conditioning box. Therefore，this paper simplifies the air duct into porous media，sets the back pressure of the air duct through the wind resistance coefficient，and carries out three-dimensional simulation to calculate，providing reference suggestions for the performance optimization of the air conditioning box and shortening the project development cycle.

收稿日期：2022-11-28

作者簡(jiǎn)介：王大健（1980—），男，主要從事汽車(chē)熱管理系統(tǒng)相關(guān)研發(fā)工作，研究方向?yàn)镠VAC總成性能分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 "引言

目前由于汽車(chē)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，各個(gè)車(chē)企對(duì)于新車(chē)型開(kāi)發(fā)的周期要求也越來(lái)越短，導(dǎo)致汽車(chē)空調(diào)的開(kāi)發(fā)周期被大大縮短了。由于開(kāi)發(fā)周期的縮短，之前的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)及開(kāi)發(fā)計(jì)劃不能滿(mǎn)足時(shí)間節(jié)點(diǎn)的要求，各個(gè)工作需要同步進(jìn)行，進(jìn)而也提高了開(kāi)發(fā)的進(jìn)度。

空調(diào)箱開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)流程基本如下：①根據(jù)整車(chē)功能配置，制定空調(diào)系統(tǒng)電器架構(gòu)；②根據(jù)項(xiàng)目主計(jì)劃及空調(diào)系統(tǒng)配置表，編制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)計(jì)劃；③根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)目標(biāo)及整車(chē)產(chǎn)品參數(shù)，計(jì)算空調(diào)各性能負(fù)荷；④根據(jù)配置表及性能目標(biāo)，提供預(yù)選供應(yīng)商。在汽車(chē)空調(diào)開(kāi)發(fā)中，需要滿(mǎn)足很多性能目標(biāo)，這里最重要的就是汽車(chē)空調(diào)總風(fēng)量及風(fēng)量分配。這兩個(gè)性能指標(biāo)與汽車(chē)乘員艙舒適性有很大關(guān)聯(lián)，所以解決總風(fēng)量、風(fēng)量分配、內(nèi)部流場(chǎng)問(wèn)題是汽車(chē)空調(diào)開(kāi)發(fā)過(guò)程中最基本也是最重要的一項(xiàng)任務(wù)。在項(xiàng)目定點(diǎn)后，由于整車(chē)布置的不確定，主機(jī)廠無(wú)法提供風(fēng)道凍結(jié)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致空調(diào)箱無(wú)法做風(fēng)量分配試驗(yàn)及仿真。所以如何在主機(jī)廠未提供風(fēng)道的情況下對(duì)空調(diào)箱性能進(jìn)行CFD仿真分析，成為各CFD專(zhuān)業(yè)人員研究課題。

2 "風(fēng)阻系數(shù)

風(fēng)阻系數(shù)是通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和下滑實(shí)驗(yàn)所確定的一個(gè)數(shù)學(xué)參數(shù)，用它可以計(jì)算出汽車(chē)在行駛時(shí)的空氣阻力。風(fēng)阻系數(shù)的大小取決于汽車(chē)的外形。風(fēng)阻系數(shù)愈大，則空氣阻力愈大。風(fēng)阻系數(shù)本質(zhì)是描述汽車(chē)在行駛過(guò)程中的空氣阻力，氣流在風(fēng)道里流動(dòng)阻力與汽車(chē)在空氣中行駛的空氣阻力原理類(lèi)似，所以引出風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)來(lái)描述風(fēng)道的阻力特性。

主機(jī)廠雖然無(wú)法提供風(fēng)道的凍結(jié)數(shù)據(jù)，但是卻能夠提供各風(fēng)道的風(fēng)阻設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所以CFD將通過(guò)風(fēng)道模擬器來(lái)代替實(shí)際風(fēng)道，而風(fēng)道模擬器的本質(zhì)就是一個(gè)類(lèi)似于芯體的多孔介質(zhì)，通過(guò)給予多孔介質(zhì)參數(shù)來(lái)模擬風(fēng)道背壓。

3 "風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算

風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算公式：

單風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)：R=Pa/[（L/s）^2]

多風(fēng)道總風(fēng)阻系數(shù)：R_總=1/（（1/√（R_1 ）+1/√（R_2 ）+1/√（R_3 ）+…）^2）

根據(jù)主機(jī)廠提供的風(fēng)道風(fēng)阻設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)及各模式總風(fēng)阻系數(shù)。風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1中，設(shè)計(jì)背壓及風(fēng)量由主機(jī)廠提供，風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)根據(jù)公式計(jì)算得到，在得到各風(fēng)道的風(fēng)阻系數(shù)后，還需要計(jì)算各個(gè)模式的總風(fēng)阻系數(shù)，總背壓計(jì)算結(jié)果如表2所示。

在計(jì)算出每個(gè)風(fēng)道的風(fēng)阻系數(shù)后，下一步就是如何將風(fēng)阻系數(shù)轉(zhuǎn)換到仿真軟件中去計(jì)算。我們知道starccm+軟件中芯體的背壓是通過(guò)參數(shù)等效的，而風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)也是一個(gè)和背壓相關(guān)的量，所以探究一下如何將風(fēng)道的風(fēng)阻系數(shù)等效到芯體參數(shù)，進(jìn)而用芯體來(lái)模擬風(fēng)道的背壓。

其中，starccm+中芯體的背壓計(jì)算公式為：P=aV^2+bV，風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算公式為：P=R×（L/s）^2，為了將二者聯(lián)系起來(lái)，這里取b=0，所以P=aV^2，將風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)公式帶入后得到：P=〖10〗^6 〖×R×A^2 V〗^2，a=〖10〗^6×R×A^2，starccm+中芯體的粘性阻力系數(shù)PI=a/芯體厚度，至此，風(fēng)道等效成芯體工作完成，下一步即可進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 "仿真模型搭建

吹面模式仿真模型如圖1所示。橙色區(qū)域即為風(fēng)道模擬器，在軟件中用多孔介質(zhì)代替，空調(diào)箱出口處拉伸了300mm，模擬風(fēng)道長(zhǎng)度，目的是用來(lái)混風(fēng)，這樣流場(chǎng)也更加接近實(shí)際。

3.2 "仿真結(jié)果分析

第1步：對(duì)比風(fēng)道仿真風(fēng)阻值與理論風(fēng)阻值的誤差，判斷此方法是否可行。單風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

從仿真結(jié)果可以看出，仿真得到的風(fēng)道模擬器風(fēng)阻與通過(guò)風(fēng)阻系數(shù)理論計(jì)算出的風(fēng)道風(fēng)阻誤差基本在3%左右，誤差較小，可以認(rèn)為在沒(méi)有完整風(fēng)道數(shù)據(jù)前，CFD仿真計(jì)算可以通過(guò)風(fēng)道模擬器來(lái)代替實(shí)際風(fēng)道。

第2步：通過(guò)模擬器代替實(shí)際風(fēng)道來(lái)進(jìn)行各種CFD仿真計(jì)算。

從風(fēng)量分配仿真分析結(jié)果（圖2）可以看出，通過(guò)模擬器得到的風(fēng)量分配和通過(guò)實(shí)際風(fēng)道得到的風(fēng)量分配誤差基本在1%左右，所以通過(guò)模擬器代替風(fēng)道在CFD仿真計(jì)算中是可行的，精度也是可以滿(mǎn)足要求的。

在空調(diào)箱設(shè)計(jì)階段，有些項(xiàng)目的前吹腳風(fēng)道是由空調(diào)廠家提供，由于前吹腳風(fēng)道性能直接關(guān)乎駕駛員駕駛體驗(yàn)，所以各車(chē)企對(duì)前吹腳性能要求也比較高。在沒(méi)有整車(chē)風(fēng)道的情況下，CFD也需要對(duì)前吹腳風(fēng)道性能進(jìn)行評(píng)估，例如，前排吹腳風(fēng)阻、前排吹腳導(dǎo)向性及風(fēng)速覆蓋率、前排吹腳各風(fēng)口的風(fēng)量分配、吹腳出風(fēng)口風(fēng)速等。吹腳性能評(píng)估仿真模型如圖3所示。

在吹腳性能評(píng)估仿真分析時(shí)，前吹腳兩側(cè)風(fēng)量各為總風(fēng)量的22%，所以在沒(méi)有其他風(fēng)道的情況下，必須用模擬器來(lái)代替其他風(fēng)道，這樣才能精確地得到前吹腳的風(fēng)量分配是否滿(mǎn)足工況要求，然后才能進(jìn)行仿真分析來(lái)優(yōu)化前吹腳風(fēng)道。優(yōu)化前后的腳面速度分布圖如圖4所示。

從圖4可以看出，優(yōu)化后的腳面速度更加均勻，腳面風(fēng)速也得到提升，駕駛員駕駛體驗(yàn)得到改善。

4 "結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)實(shí)際單風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)仿真結(jié)果與理論值對(duì)標(biāo)，二者誤差基本在5%以?xún)?nèi)，CFD認(rèn)為用風(fēng)阻系數(shù)代替風(fēng)道風(fēng)阻的方案是可行的，因此可進(jìn)一步用風(fēng)阻系數(shù)代替風(fēng)道進(jìn)行風(fēng)量分配仿真、吹腳性能評(píng)估及內(nèi)部流場(chǎng)分析，CFD認(rèn)為用風(fēng)阻系數(shù)代替風(fēng)道進(jìn)行空調(diào)箱各項(xiàng)性能仿真也是可行的，仿真結(jié)果可以為結(jié)構(gòu)工程師提供參考，大大降低了樣件的制作成本、人力成本及時(shí)間成本，對(duì)于縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期有著重要意義。

（編輯 "凌 "波）