某乘用車空調系統配氣比及氣動噪聲分析優化

王小碧，王偉民，郭軍朝，史建鵬

（東風汽車公司技術中心，武漢 430056）

隨著汽車工業發展及乘用車開發水平的提高，降低乘員艙的氣動噪聲、提高乘員的舒適性，改善對環境的影響，是開發新型乘用車面臨的重要課題。空調系統配氣比直接影響乘員艙均勻降溫性能和舒適性，合理的配氣比可以提高乘員艙內的舒適度。乘員艙的車內噪聲已成為重要的舒適性評價指標。其中，空調系統的氣動噪聲在車內噪聲中占有很大的比例，氣動噪聲與空調風道的布置及結構等有關，風管尺寸、流動方向的突變、局部尖角或圓角等局部結構特征對其影響都很大。

傳統空調系統設計主要采用的是經驗設計方法，然后通過試驗對空調系統性能進行考察，設計周期長，試驗費用高，且難于找到影響空調性能的主要因素。CFD、CAA技術在汽車空調系統設計中的應用，可以明確研究方向，縮短研制周期，減少反復試驗噪聲的浪費。

1 空調系統原方案配氣比及氣動噪聲分析

1.1 空調系統原方案存在問題

對某乘用車空調系統 （包括空調HVAC總成、通風管道和儀表板等）進行的配氣比和噪聲測量試驗，如圖1所示，配氣比不滿足東風汽車公司標準，而且通過與競品車型對比分析，如圖2所示，原方案空調系統噪聲偏大，需要進行改進。

由于空調系統HVAC總成無法進行更改，所以必須對空調系統風管進行分析優化，使得空調系統配氣比達到要求，系統噪聲降低。

1.2 空調系統原方案配氣比仿真分析

1.2.1 CFD仿真模型

由于風機相對于整個空氣流道而言是一個獨立的部分，因此沒有考慮風機部分，僅討論從風機出口到儀表板送風口的部分。為了對風道內的空氣流動進行計算，對模型做如下簡化：①風道系統密封良好，除進風口和出風口外沒有空氣泄露；②空氣為不可壓縮流體，密度為常數；③吹腳風門和除霜風門關閉，只有儀表板送風口開啟。

圖3為空調系統原方案的三種模型：初始風管、初始風管+空氣濾芯+蒸發器、初始風管+空氣濾芯+蒸發器+格柵。分別對三種模型進行CFD分析。

整個模型在格柵、風管拐角等對氣流影響較大的部分區域進行了網格細化。空氣濾芯和蒸發器通常都和全局坐標系有一定的傾角，為了生成高質量的網格，使用STARCCM+中工具在這兩處生成局部坐標系。生成Trimmer網格，網格總數為500萬左右，如圖4所示。

計算工況冷風吹面（ATF）、內循環、最大風量；入口流量為500 kg/h，出口為壓力出口，壓力為0 Pa。分別對三種方案進行分析。

1.2.2仿真結果分析

空調系統配氣比分析目的：

（1）考核各出風口風量配氣比是否滿足標準要求；

（2）對流態角度判斷，空調系統風管是否設計合理。

通過與試驗結果進行對比，如圖5所示，發現方案Ⅲ與試驗結果最為接近，誤差在3%以內，驗證了空調系統配氣比分析方法的正確性。同時，后續優化分析在3#方案的模型上展開工作。

通過對流場分析，如圖6所示，可以得出空調系統原方案風管存在以下問題：

（1）此處風管彎角過大，局部流速過大，而且出口風速分布很不均勻；

（2）此處直角造成風管局部渦流；

（3）此處直角造成風管局部渦流，并且局部流速偏大；

（4）此處風管彎角過大，造成出風口風速分布不均勻；

（5）此處彎角過渡偏大，造成局部流速達到43.4 m/s，而且局部有渦流。

綜上所述，空調系統原方案配氣比不滿足標準要求，主要由于空調系統風管布置問題，直角拐角過多，風管內局部渦流過多，造成右風管流阻大，右風管配氣比偏小，左風管配氣比偏大。

1.3 空調系統原方案風管氣動噪聲分析

HVAC系統的風噪與風道的外形和布置有著直接的關系，風道尺寸與方向的突變以及內部局部結構對氣動噪聲有非常大的影響。通過仿真預測某空調風管產生的氣動噪聲，并通過結果處理得到氣動噪聲的主要來源和位置，可以為風管外形設計提供參考意見。

1.3.1氣動噪聲研究理論基礎

氣動噪聲是由氣體的非穩定過程，或者說是氣體的擾動、氣體與物體的相互作用而產生。根據萊特希爾(Lighthill)流體聲學理論，流場中的理想化聲源模型可認為由三種線性聲學中的典型聲源-單極子聲源 (Monopole Source)、偶極子聲源(Dipole Source)和四極子聲源(Quadrupole Source)組成。

流場中實際存在的聲源為以上各種聲源的集合體，其中大部分是偶極子和四極子聲源的集合體。通過對以上三種聲源作比較可以發現:單極子、偶極子和四極子的總聲功率分別與流速的四次方、六次方和八次方成正比。由此可見，隨著流速的增大，氣動噪聲的聲功率將急劇升高。對于主要的氣動噪聲源，降低該處流速將是最直接的降噪手段。

在汽車空調系統管道氣動噪聲分析中，空調管道內表面可看作是剛性的，所以單極子噪聲可以近似為零，而且空調風管內部氣流速度低，四極子聲源遠小于偶極子聲源，可忽略不計，因此對空調風管管道的氣動噪聲研究主要是針對偶極子噪聲源的特性。

1.3.2空調系統風管氣動噪聲分析總體思路

通過耦合CFD軟件STARCCM+與專業聲學軟件LMS Virtual.Lab Acoustic來求解空調系統管道氣動噪聲。在CFD計算中，對空調管道的瞬態流場進行求解并輸出偶極子噪聲源項，然后將噪聲的源項導入到LMS Virtual.Lab Acoustic來計算噪聲的傳播；應用CFD和Virtual.Lab的計算結果，對風管設計優化提供參考意見。具體的仿真流程如圖7所示。

1.3.3氣動噪聲分析結果

在Virtual.Lab進行的聲學計算中，可以得到的數據包括風管內壁面上的壓力頻譜、聲場云圖以及某些測點上的聲壓頻譜。我們對三個風管分別進行了計算，圖8為左風管聲場云圖示意圖。對測點（駕駛員右耳）上的聲壓頻譜，我們可以將各個風管的貢獻疊加起來。

最后得到總的頻譜曲線如圖9所示。三個風管疊加后，在測點產生峰值的頻率在400 Hz，對應的幅值在60 dB（A）左右。并與試驗結果圖10進行對比表明，在300~400 Hz之間計算值和試驗值峰值是對應的，驗證了分析方法有效性。

通過分析，驗證了空調系統氣動噪聲分析方法的正確性。這樣就可以對三個風管單獨的計算結果相比較，如圖11~圖13所示。發現在400 Hz頻率下產生的噪聲主要來自于左風管，這樣就可重點對左風管處的結構進行優化降低噪聲。

2 優化風管配氣比及氣動噪聲分析與試驗

2.1 風管優化方案說明

通過對空調系統原方案配氣比及氣動噪聲分析，確定風管優化的方向：

（1）改進空調系統結構，減少風管轉彎，保證風管內部渦流減少，出風口風速分布均勻；

（2）在保證配氣比滿足要求的情況下，增大右風管與中風管截面面積。

通過與車身空調系統和車身儀表板系統工程師進行溝通，對空調系統風管做了如圖14所示更改。

優化方案主要是對左、右、中風管進行管徑增大，對轉彎圓角過渡加大，并對中風管中間隔板進行調節，使得中間風管的兩個出口風量盡可能的達到標準要求水平。

2#方案與3#方案不同之處在于，2#方案風管局部區域與儀表板橫梁距離過近，超過了設計要求，而且在后續分析過程中，發現2#方案中風管一個出風口風量分配達不到標準要求，所以3#方案對2#方案進行了局部優化，滿足了工藝要求，并對中風管中間隔板進行了調整，使中風管兩個出風口風量達到標準要求。

2.2 優化方案配氣比分析及試驗

按照上節確立的配氣比分析方法，對2#及3#優化方案進行了仿真分析，網格模型劃分以及邊界條件的設定都與1#原方案的分析保持一致，計算工況冷風吹面（ATF）、內循環、最大風量；入口流量為500 kg/h，出口為壓力出口，壓力為0 Pa。

如圖15、16所示，為2#和3#優化方案流場分析結果。從圖中可以看出2#風管內部最高風速由原方案43.4 m/s降低到28.7 m/s，3#風管內部最高風速由原方案43.4m/s降低到30m/s，比2#方案略大，大大降低了風管內部最高風速，有利于氣動噪聲的降低。而且從圖中可以看出，通過優化，中風管內部和右風管內部的渦流區域減少，這也有利于氣動噪聲的降低。

2#方案較3#方案有局部改動，空調系統內最高流速3#略大于2#方案，3#方案氣動噪聲可能大于2#方案。

對2#、3#優化方案的配氣比也進行了分析及試驗。從圖17和圖18可以看出，2#優化方案配氣比較原方案有了很大的改進，右中風管配氣比比標準要求略微低，而3#優化方案滿足標準要求。通過仿真與試驗的對比，進一步驗證了分析方法正確性。

2.3 優化方案氣動噪聲分析及噪聲試驗

2.3.1優化方案氣動噪聲分析

圖19為優化方案與1#原方案噪聲分析對比，從圖中可以看出3#方案噪聲峰值與2#方案基本一致，較1#方案降低了6 dB左右，效果非常顯著。但是在分析中，由于沒有考慮空調風機、發動機等噪聲，效果可能不會有這么大。

2.3.2優化方案整車噪聲試驗

試驗方法：測量主駕駛員、副駕駛員左右耳旁噪聲，各個風口處噪聲（測點布置于風口處，距離風口15cm）相關試驗布點如圖20、圖21所示。

試驗工況為：發動機怠速，空調制冷，風機開，外循環吹面模式，風量最大。

2.3.3噪聲試驗結果

對優化后噪聲試驗結果與原方案進行對比分析時，由于優化方案管徑變大，轉彎彎角加大，減少了風管流阻，從而導致系統阻力降低，所以需要調節試驗（風機電壓）參數，使得優化后方案的空調風量與原方案一致。

對3種方案在同等風量的情況下進行噪聲試驗，并對噪聲進行對比，如圖22所示：

從圖22可以看出，3#優化方案噪聲相對于2#方案略大，比1#原方案降低了3.7dB以上，效果顯著，同時也驗證了氣動噪聲分析方法的正確性。

3 結論

通過對某乘用車空調系統進行配氣比與氣動噪聲分析與試驗研究，得出以下結論：

（1）通過數值計算的手段，可以對空調系統內部流場進行詳細描述，并對空調風管氣動噪聲產生與傳播進行了闡述，對空調系統配氣比及氣動噪聲優化提供了指導；

（2）優化了空調系統配氣比及氣動噪聲，使得配氣比達到標準要求，空調系統噪聲降低了3.7dB，效果顯著；

（3）通過該項目，建立了空調系統配氣比分析及氣動噪聲分析方法，并通過了試驗驗證，對加快設計，減少試驗次數和費用有很大的意義。

［1］程勉宏，劉剛.汽車空調風道設計對車內噪聲的影響［J］.沈陽航空工業學院學報，2005，8.

［2］祁照崗，陳江平，胡偉.汽車空調風道系統CFD研究與優化［J］.汽車工程，2005，1.

［3］R.Ambs，A.Ayar，C.Capellmann etc.Computational Aeroacoustics and the Development of Climate Control Systems[J].VDI－Berichte Nr，2004(1846).