汽車空調風道系統的CFD分析

王丹 劉雙喜 牟江峰 張傳文

（1.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室；2.中國汽車技術研究中心汽車工程院；3.山東省菏澤市規劃建筑設計院）

在汽車空調系統中，空調風道分配空氣流量，改變氣流方向，并使其以一定速度在乘員艙內定向流動，其送風能力的好壞直接影響乘員艙內空氣的溫度分布和速度分布，從而影響乘車的舒適性[1-2]。在進行汽車空調風道設計時，應盡量減少壓力損失和噪聲，合理組織氣流分配，管道內部應光滑，轉彎處應圓滑，盡量避免急轉彎，同時盡可能地做到結構簡單，制造方便，并與周邊部件協調一致[3-4]。CFD 計算能夠縮短產品開發周期，降低成品，且能夠提供全面準確的信息[5]。文章利用CFD軟件對某汽車空調風道進行了仿真計算，對進行汽車空調風道設計時應遵循和考慮的主要要素進行了重點分析，從而為風道結構設計及優化提供指導。

1 CFD模型及計算方法

1.1 幾何模型和網格劃分

圖1 和圖2 分別示出汽車空調風道系統的內腔結構和網格模型。汽車空調風道系統主要有暖通空調（HVAC）、空調風道以及出風口。HVAC 采用全制冷模式，內部沒有暖風芯體和蒸發器芯體；空調風道采用吹面風道，模型簡化了風口模型；出風口采用擴散作用較小的漸擴管，從而降低出風口的出口流速，減小局部阻力系數。

本次計算中，利用有限元分析軟件Hypermesh 抽取空調管道系統內表面，進行幾何清理和面網格劃分。然后導入三維仿真軟件STAR-CCM+中，劃分體網格，設置邊界條件和初始條件，運行計算并進行結果分析。該空調風道系統的體網格為Trim 網格，網格總數約為58×104個。

1.2 數學模型

計算介質為空氣，體積質量取值1.184 kg/m3，粘度1.86×10-5Pa/s。流動為不可壓縮穩態流動，不考慮溫度和壓力的影響。模型中，壓力和速度的耦合采用SIMPLE 方法，湍流模型采用realizable k-ε 湍流模型，臨近壁面的區域采用All y+壁面函數。空調風道系統的入口為質量流動進口，質量流量為0.103 kg/s，入口截面上空氣流速均勻分布，垂直于邊界。出口為壓力出口，出口背壓為0。

2 計算結果分析

出風口的風量分配是評價風道是否有效工作的一個重要指標。在實際的汽車空調風道設計中，中間風道主要提供后排座位的風量，側風道提供主副駕駛座位的風量[6]。圖3 示出空調風道出風口流量的比例分配。從圖3 中可以看出，空調風道分風合理，中間出風口風量大些，兩側出風相對小些，且駕駛員側的風量（出風口C 和D）比例比副駕駛一側（出風口A 和B）稍大。

對于吹面風口來說，一方面要使車廂內的空氣盡快冷卻或者溫暖起來，這就要求出風口出風速度越大越好；另一方面要使長期身處乘員艙內的人們感到舒適，所以風速不能太高，以免產生噪聲污染和引起體感不適[7]。一般來說，出風口出風速度在7.5～10.5 m/s 比較適中。圖4 示出空調風道出風口相對速度。從圖4 中可以看出，4 個出風口的風速值在舒適區間內；中間風道的出風口B 和C 速度分布均勻，2 個風口的最大速度值相當，略小于兩側出風口A 和D 的最大速度值；兩側出風口的速度分布均勻性不好。

圖5 示出汽車空調風道系統的速度跡線圖，圖6示出汽車空調風道截面的速度矢量圖。從圖5 和圖6可以看出，在空調風道流場內，沒有渦流產生，流通性能好，最大限度地降低了因渦流造成的能量損失。

圖7 和圖8 分別示出空調風道表面的壓力分布圖和速度分布圖。從圖7 和圖8 可以看出，在風道轉角處，由于風道流通截面突然變小，速度增加，形成低壓區，壓力損失增大。4 組出風口與進風口的壓差均約為100 Pa。在風道設計中，應盡量減少風道管徑變化，平滑風道轉彎，減少高低壓區的存在，降低空調風管的壓力損失。

3 結論

該汽車空調風道分風合理，滿足設計要求。風道出風口相對速度適中，兩側出風口的速度分布均勻性稍差。在風道流場內，沒有渦流產生，減小風道壓力損失。在風道轉彎處，出現高速區和低壓區，因此在和周圍部件裝配合理的情況下，建議風管圓滑過渡，盡量避免形狀突變或出現拐角。