汽車空調箱內空氣流動的數值模擬研究

郭 瑩，李 鋼

● （上海德爾福汽車空調系統有限公司，上海 201204）

汽車空調箱內空氣流動的數值模擬研究

郭 瑩，李 鋼

● （上海德爾福汽車空調系統有限公司，上海 201204）

建立了汽車空調箱的數學模型，與換熱器的單體吹風實驗結合，采用多孔介質模型計算了空氣在蒸發器與暖風芯體間的壓力降。通過分析換熱器內部速度場、壓力場，揭示了空氣在空調箱內的流動特性。結果表明：由于蒸發器迎風面積較大，蒸發器側的壓力損失不高，而在暖風芯體處，由于通道擴張不充分，芯體處的速度場不均勻，流體在箱體邊緣發生了回流，降低了芯體的換熱效能。在出口處，存在較強渦流，是空調箱阻力的主要來源。

汽車空調箱；空氣流動；數值模擬

通過設置模式風門和溫度風門的不同開度，送風方式可以分為全冷、全熱、加熱冷卻并進、除霧和除霜模式。在進行制冷時，由于需要驅動壓縮機，空調的使用往往會影響汽車的動力性和經濟性，比如爬坡能力、加速性能和油耗，因而要求汽車空調具有較高的能效比(COP)。但由于冷凝器尺寸受到車身結構限制，往往設計的較小，為了達到所需的制冷量，冷凝溫度較高，這就導致了汽車空調的

0 引言

隨著生活水平的提高，空調在乘用車上的重要性日益突出。空調能調節車廂內熱微環境的舒適性，保證車內空氣的溫度、濕度、潔凈度、流速和氣動噪聲在合理范圍內，可以提高汽車乘坐的舒適性，對汽車的行駛安全性也有促進作用。正因如此，汽車空調技術也成為了提高汽車市場競爭能力的重要手段。自1940年，Packard公司生產出第一臺裝有制冷機的轎車以來，空調在汽車上的安裝率迅速能耗比較低(只有家用空調的50%)[1]。

外部和內循環空氣混合后進入鼓風機，通過風道的導流使吸入空氣依次通過鼓風機、蒸發器和加熱器，最后通過送風管道向車廂內送風。為了提高汽車空調的效能，需對空氣側的流體組織進行優化，在保證制冷效果的同時，降低空氣側的流動阻力。由于結構尺寸限制，并且經過多個換熱器件，致使汽車空調箱內部流動和傳熱規律較為復雜。傳統的空調箱設計一般依靠簡單的理論和實驗分析確定，需要大量的實驗費用，新品研發周期長，無法適應目前激烈的汽車市場競爭。而計算流體力學方法(CFD)為優化空調系統氣流組織提供了新的方法，在提高空調研發效率的同時，降低了研發成本。CFD 技術在 Delphi、Denso、Air International等汽車空調公司獲得了廣泛應用，獲得了較好的經濟效益。

Marzy等對汽車暖風系統進行了模擬[2]， Williams等采用模擬技術獲得蒸發器總成(HVAC)內的速度和靜壓參數[3]。吳金玉對HVAC內部的速度場和壓力場進行了模擬，分析了送風量的影響[4]。賈傳林采用CFD技術模擬了對風道內的風量分配進行了分析[5]。

本文針對實體汽車空調箱建模，應用數值方法模擬箱體內的空氣流動情況，對速度場、壓力場等信息進行分析，研究箱體結構與性能之間的關系，為空調箱的結構改進提供了研究基礎。

1 物理數學模型

1.1 空調箱模型

汽車空調箱殼體內安裝有鼓風機、蒸發器、暖風芯體、風門等元件，如圖1所示。通過兩個風門的位置，可以控制空調的運行模式。

圖1 汽車空調箱內部結構

空氣在箱體內的流動為三維湍流流動過程，采用 k-ε模型，控制方程如下：

連續方程：

動量方程：

能量方程：

k方程：

ε方程：

式中，λ為導熱系數；ρ為密度；μ為動力粘度；cρ為比熱容；T為溫度；k-ε模型中 μt=cμρk2/ε，cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

蒸發器與加熱器均為緊湊式換熱器，換熱器尺寸及翅片結構形式對空氣的流動與換熱均存在重要的影響。由于計算效率和網格總數的限制，無法對換熱器具體結構形式進行建模。將這兩個換熱器作為多孔介質進行處理，多孔介質的阻力系數由蒸發器和暖風芯體實驗獲得的壓降和流速的獲得[4]。如此在不降低計算效率的同時，保證了模擬的準確性。

動量方程的源項為：

式中，α為滲透率；1/α為阻力系數；C2為慣性阻力系數；蒸發器的阻力系數為：

根據實驗結果，暖風芯體的阻力系數為：

1.2 網格劃分及邊界條件

將圖1的模型進行適當簡化，采用gambit軟件對流體通道進行網格劃分，根據局部區域結構特點，分別采用六邊形和四邊形網格，網格總數為3×106個，如圖2所示。

圖2 空氣通道網格劃分

對蝸殼段進行簡化，假設入口速度、溫度均勻，風量取244m3/h，流速約為v=9.2m/s，進口溫度T=313K。殼體采用絕熱邊界條件，出口設為outflow條件。蒸發器的換熱量為4kW，暖風芯體熱負荷為600W。

2 計算結果及分析

計算獲得的速度矢量如圖3所示。

圖3 速度矢量圖

在蒸發器段由于迎風面積較大，使經過蒸發器的空氣流速較低，一定程度上降低了空氣側的換熱系數。但由于空氣流動方向與蒸發器垂直，能降低空氣的流動阻力。經過蒸發器后，空氣流通面積降低，導致在暖風芯體處，流速不均勻。

箱體內流線如圖4所示，由于箱體邊緣速度較低，形成渦流，部分流體形成了回流，減小了暖風芯體實際換熱面積，影響了暖風芯體的換熱效能，這與風道的扭曲程度有關，需對此結構進行改進，降低渦流產生的空間，也可節省安裝空間。

在箱體出口也出現了渦流，在該處由于空氣流速較高，渦流較強，將導致較大的壓力損失。同時，渦流也將產生氣動噪音，影響車輛乘坐的舒適性。從圖可以發現，最大的阻力降出現在暖風芯體與箱體的出口之間，因此需對該位置的風道形狀進行調整，減小渦流，降低阻力損失。

整體空調箱模擬的阻力損失為 785Pa，這與實驗值(685Pa)實驗數據相吻合。

圖4 箱體內流線圖

3 結論

本文建立了汽車空調箱的數學模型，并采用數值技術對箱內空氣的流動進行了模擬，得到如下結論：

1）多孔介質模型能描述緊湊式換熱器的阻力性能，在對空調箱模擬時能保證計算準確性的同時，降低網格數量，提高計算效率。

2）在暖風芯體處存在回流，降低了芯體有效換熱面積，降低了芯體的傳熱效能。

3）在空調箱出口處存在較強渦流，是通道阻力降的主要來源，需對結構進行改進。

[1]于福義.現代汽車空調系統數值模擬仿真[D].重慶:重慶大學, 2005.

[2]Roland Marzy, Josef Hager.Optimization of vehicle worm-up using simulation tools[J].SAE Paper, 2001,(1): 1705-1709.

[3]Jack William.Aerodynamic drag of engine-colling airflow with external interference[J].SAE Paper, 2002,(1): 512-516.

[4]吳金玉,陳江平.汽車空調蒸發器總成及風道的數值研究[J].流體機械, 2008, 36(7): 59-62.

[5]賈傳林,歐陽新萍.汽車空調箱優化設計及風道風量均勻性研究[C]//中國制冷學會.學術年會論文集.天津:中國制冷學會, 2009: 530-535.

Numerical Simulation of Air Flow in Automotive Air Conditioning Box

GUO Ying，LI Gang
(Shanghai Delphi Automotive Air Conditioging Systems Co., Ltd., Shanghai 201204, China)

The mathematical model of automobile air conditioning box is established.Combined with a single blow experiment of heat exchanger, the pressure loss of the air between evaporator and heater cores is calculated by using the porous media model.Through analyzing the velocity field and pressure field inside the heat exchangers, the air flow characteristic in the air conditioner is revealed.The results show that the pressure loss of the evaporator is small because of bigger windward area of the evaporator.At the heater cores, its velocity field is non-uniform, because the channel expansion is not sufficient.Reflux occurs at the air conditioner edge, the heat transfer efficiency of the core is reduced.There is stronger vortex at the exit of the air conditioner.It is the main source of air conditioner’s pressure loss.

automotive air conditioning box; air flow; numerical simulation提高，目前中、小型車的空調安裝率已經接近100%。

TB657

A

郭瑩（1982-），女，工程師。研究方向：汽車空調制冷系統。