全塑汽車空調風道系統結構優化

劉迎林，張有忱，秦 柳，虞華春，楊衛民

LIU Ying-lin1～3, ZHANG You-chen1～3, QIN Liu1～3, YU Hua-chun2,3, YANG Wei-min1～3

（1.北京化工大學，北京 100029；2.寧波格林美孚新材料有限公司，寧波 315300；3.汽車塑化裝備制造重點實驗室，北京 100029）

0 引言

隨著高分子成型工藝以及設備科學水平的不斷提升，幾年來非金屬汽車車身工藝得到了快速發展[1]。非金屬車身主體材料以復合材料、工程塑料為主。將高分子材料的加工工藝應用于車身制造中，可以大大減輕車身整體重量，實現汽車輕量化的需求，但同時也對零配件的可靠性提出了更高的要求：需要在滿足基本使用性能的前提下適應全塑車身的特有屬性，比如傳熱、隔聲以及振動特性[2,3]。相比于傳統汽車空調系統，全塑車身空調裝置有以下特點：

1）非金屬材料導熱能力較差，不容易與外界環境進行能量傳遞。

2）金屬車殼與零部件通過嵌件形式連接，為了滿足功能需求，有些嵌件形狀比較復雜，也就導致了汽車儀表板下方的空間更加狹窄，這就對空調風道系統的排布有更嚴格的要求。

本文利用CFD工具，對已有空調系統的風道內部的流體流動特性進行了分析，并針對現有儀表板下方空間結構，在保證其他零部件不受影響的前提下對風道進行了結構優化，對其他全塑車身空調風道系統的排布和安裝有一定的借鑒意義[4～15]。

1 物理模型

圖1所示物理模型根據原有轎車風道尺寸設計而成，未做任何調整，出風口主要材料為聚碳酸酯，中間波紋軟管主要材料為聚乙烯。入風口為一分四風機入口，出風口1和出風口2為除霧除霜出口，其余為吹面出口。吹面出風口主要由中央出風口3、4以及駕駛員側出風口5、副駕駛員側出風口6組成。為了驗證各個出風口處的流量分布，將本模型進行簡化，主要簡化位置為暖風機出口位置，這樣可以更加直觀的檢測流量分布情況以及管道對流量的影響。

圖1 物理模型

2 數學描述及邊界條件

2.1 數學模型

為簡化模型，在計算區域忽略重力作用，并假設流體在管道中為定常流。模型中空氣在風道中的流動狀態為湍流，湍流會使流體介質之間相互交換動量、質量和能量，并且變化是小尺度高頻率的，計算采用湍流模型，其中K表示湍流脈動，表示湍流耗散率。

根據(1)、(2)方程可求解出湍流粘性方程：

2.2 邊界條件

實驗采用汽車空調性能實驗臺，采用超力蒸發器、三電冷凝器，具體輸入參數如表1所示。

表1 初始條件實驗測量

進口邊界條件為速度入口1m/s，出口邊界條件為壓力出口，背壓為零。

3 計算結果與分析

3.1 原有結構的CFD分析

對原有模型分析結果進行切片處理，可得到截面速度等值圖。其中除霧除霜出口1、2位置的切片速度等值圖如圖2所示。

圖2 出口1、2處的速度等值圖，左側為出口1，右側為出口2

從圖2可以看出出風口1與出風口2，也就是除霧除霜出口的出風位置都集中在中央位置，并且出風口1相較出風口2的風量明顯要高，這二者的通道處只提供了很少的風量給出風口2。

圖3 出風口3、4位置分岔口位置速度等值線

圖3 為出風口3、4附近的速度等值圖，在中央吹面出口附近，也就是出口附近的分叉位置處有局部渦流，最高風速在0.4m/s左右。根據截面半徑信息，該出風口總出風量在以下。

六個出風口流量統計如表2所示。

表2 原始風道出風量分配

根據表2中原始風道系統中各個出風口的出風量分配可以看出以下問題：

1）出風口1、2的風量分配不合理，出風口1占了二者總和的2/3的風量，需要改進。

2）根據人機工程學理論：駕駛員側風量應高于副駕駛員側風量，中央吹面風量應高于兩側吹面風量。出風口3、4為中央吹面口，5、6為兩端吹面口，兩個中央吹面風量應占總吹面風量的55%以上，本例中中央吹面風量僅占34%，需要重新調整風道布置。

3.2 風道CFD優化一

對風道風速流場主截面進行切片處理可以看出：分岔口的位置不合理，導致空氣從下面暖風機出來后，向左側出風口1處分布的風量較多。將風道位置進行如圖4所示的優化。

圖4 除霧除霜風道優化前后模型，其中：上為結構優化以前，下側為優化后

將除霧除霜風道按照圖4所示優化后再進行分析，得出的風量分配結果如表3所示。

表3 優化一風道出風量分配

由表3中原始風道系統中各個出風口的出風量分配可以得出以下結論：

1）出風口1與出風口2出風量大致相等，但是與原始模型相比總風量降低，總風量較優化前降低了39%。

2）總風量與優化前一致，出風口5、6處的風量比之優化前增加了23%，出風口3、4風量較優化前增加16%。

優化后的除霧除霜風道雖然在兩個出風口處出風量一致了，但是總體的風量降低會導致除霧除霜試驗的失敗，因此，出風口位置總風量不能降低。

可以看出優化一結構相較優化前結構增加了除霧除霜風道的復雜程度，流體在風道中增加了一處彎角的位置，使得整體管道阻力面積增加，且局部會產生渦流，最終導致整體出風量的減少。

3.3 風道CFD優化二

為了減少除霧除霜風道的復雜程度，從入風口增加一個分流機構，將整體模型管路進行重新優化，如圖5所示。

圖5 入風口分流結構圖，左側為優化前，右側為優化后，其中：A優化前入口、B優化后入口、C優化前除霧除霜出口、D優化后除霧除霜出口、E優化前總風道形狀、F優化后總風道形狀、G優化前整體結構、H優化后整體結構

圖5 所示結構的優化情況如下：

1）將原有4個出風改為5個出風管路。

2）原有除霧除霜出口從兩個入口管接出。

3）中央吹面出風口共用一個入風口，兩側吹面出風口各占一個入風口。

初始條件不變，重新分析后結果如圖6所示。

圖6 優化后速度等值圖，左側為主截面速度，右側為橫截面速度分布

速度分布統計如表4所示。

表4 優化二風道出風量分配

根據優化二結果可以得出以下結論：

1）出風口1與出風口2出風量相差不大，且整體出風量增加了20%。

2）中央出風口較優化前增加風量34%，側吹面出風口較優化前減少了34%，整體吹面風量中，中央吹面風量占總風量的52%，駕駛員側的吹面總出風量為2.08 m3/h，副駕駛員側總吹面風量為2.03m3/h，可滿足基本使用要求。

4 結論

通過建立湍流模型，對整個風道系統進行了模擬分析，并對風道系統進行優化，通過結果對比可以得出以下結論：

1）三種方案的總出風量一定，通過軟件模擬可以對風量分配提前預測，得出優化方案，在風道模具開發之前對風道的結構調整有著指導作用。

2）優化二的除霧除霜出口風量分配一致，且中央吹面風量以及兩側吹面風量分配也同樣滿足要求，因此最終采用優化二中的風道結構。

[1] 秦柳,楊衛民,謝鵬程,丁玉梅,虞華春,朱國才,焦志偉.新能源汽車塑化制造車身整體旋塑成型[A].中國化學會高分子學科委員會.2013年全國高分子學術論文報告會論文摘要集——主題N：高分子加工與成型[C].中國化學會高分子學科委員會,2013：1.

[2] Novita Sakundarini,Zahari Taha,Salwa Hanim Abdul-Rashid,Raja Ariffin Raja Ghazil.Optimal multi-material selection for lightweight design of automotive body assembly incorporating recyclability[J].Materials and Design,50(2013)846-857.

[3] 塑料技術在汽車輕量化中的應用分析[J].塑料制造,2013,04：36-37.

[4] 朱娟娟,陳江平,陳芝久,胡偉,董國平.汽車空調雙后風道結構數值優化分析[J].制冷技術,2004,03：8-10.

[5] 朱娟娟,蘇秀平,陳江平.汽車空調除霜風道結構優化研究[J].汽車工程,2004,06：747-749.

[6] 張殿龍.計算流體動力學（CFD）在汽車空調系統除霜性能模擬分析的應用研究[D].東北大學,2008.

[7] 馬銀紅.地鐵空調送風風道出風性能數值模擬與優化[D].華中科技大學,2009.

[8] 宋海洋.基于Fluent的電動汽車空調匹配及仿真分析[D].武漢理工大學,2012.

[9] 鐘會球.電動汽車空調系統仿真與實驗研究[D].浙江大學,2012.

[10] 趙文升,王松嶺,湯世凱.基于CFD軟件的直接空冷系統熱風回流現象的分析[J].汽輪機技術,2007,05：346-348+351.

[11] 杜冬菊,劉愛華.基于Fluent的空調室內機風道結構噪聲研究[J].機械設計,2012,07：77-80.

[12] 胡俊偉.空調器風道系統氣動與聲學特性的研究[D].上海交通大學,2006.

[13] 伍禮兵.空調室內機風道流場數值模擬優化及實驗研究[D].浙江大學,2011.

[14] 陶其銘,許志寶,夏廣飛.汽車空調除霜風道分析及結構優化[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2010,04：498-500.

[15] 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,2005,01：103-106.