汽車空調進氣系統水氣分離性能研究

摘 要：本文結合汽車空調進氣系統進水問題的解決，運用CFD方法進行了汽車空調進氣系統的氣液兩相流數值模擬。通過數值模擬和實驗相結合的方式分析了空調進氣系統水氣不能徹底分離的原因，并對空調進氣系統的進氣性能進行了研究，通過實驗驗證了模擬方法的可靠性。模擬和實驗表明：空調擋水板的結構對空調進氣系統的壓力分布有重要影響，而壓力分布影響著進入空調進氣系統的水滴的流動方向和速度，當擋水板下邊緣的壓力較小時，水能夠在重力作用下流到車輛下部。

關鍵詞：兩相流;水氣分離;汽車空調; CFD

一、緒論

（一）研究的目的和意義

本文是為提高空調進氣系統水氣分離性能而進行的研究，對空調進氣系統水氣不能完全分離的難題進行理論研究，總結水氣分離的原理，并應用Ansys軟件對空調進氣系統進行CFD分析，總結空調進氣口壓力分布特點，總結擋水板布置的一般規律。

（二）國內外研究現狀及發展趨勢

國際上對雙流體模型的研究始于20世紀70年代， 雙流體模型基本方程主要包括連續性方程和動量守恒方程，在考慮溫度變化時，還要有相應的能量守恒方程，一般采用k- 湍流模型計算液相湍流粘度。進行數值模擬的軟件一般有PHOENICS、STAR-CD、STAR-CCM+、FLUENT、CFX等商用軟件，本文進行數值模擬時使用的為CFX軟件。

（三）汽車空調進氣系統介紹

空調進氣系統位于汽車前風窗玻璃右下部，與外部環境之間通過進氣格柵上的通風孔進行空氣的交換，空調進氣格柵位于通風蓋板下部，空氣通過通風蓋板上的進氣孔、空調進氣格柵被空調鼓風機吸入駕駛室內部。在此功能實現的過程中空調進氣格柵不僅起著引導氣流的作用，同時要防止從通風蓋板進入的水進入空調系統。

二、汽車空調進氣系統數值模擬

（一）創建幾何模型

創建幾何模型時，使用的為CATIA V5R19軟件。空調進氣系統周圍的環境件較多，有翼子板內板、通風格柵上板、通風格柵前圍上板等，且各零件的形狀也比較復雜。若按照實際形狀進行模型的建立，會造成網格數量多、計算精度差、計算時間長，為了避免以上問題，需要對模型進行簡化。

（二）網格劃分

網格數目的多少將影響計算結果的精度和計算規模的大小。一般來講，網格數目增加，計算精度會有所進步，但同時計算規模也會增加，所以在確定網格數目時應權衡兩個因數綜合考慮。網格較少時增加網格數目可以使計算精度明顯進步，而計算時間不會有大的增加。當網格數目增加到一定程度后，再繼續增加網格時精度進步甚微，而計算時間卻有大幅度增加。實際應用時可以比較兩種網格劃分的計算結果，假如兩次計算結果相差較大，可以繼續增加網格，相反則停止計算。

確定了系統的進氣口、出氣口、壁面之后則進行網格劃分，網格型式選擇volume，自動生成網格即完成網格劃分。

（三）前處理

ANSYS的CFX模塊可執行如下分析：層流或紊流、傳熱或絕熱、可壓縮或不可壓縮、牛頓流或非牛頓流、多組份傳輸。本文要選擇的模型為層流模型。

模型計算區域邊界條件為：標準大氣（1atm），整個計算區域的溫度為25℃（323K）。

模型進風口：標準大氣（1atm），當進行氣液雙相流計算時進入的流體為標準空氣和水的混合物，水的體積比例為1/5，空氣的體積比例為4/5。

模型的OUT1（出水口）：標準大氣壓1atm。

模型的OUT2（出氣口）：氣壓為-0.2atm。

重力方向選擇-Z方向，重力大小為9.8m/S2，水密度設置為997kg/m3。

（四） 數值求解

啟動求解管理器進行求解，收斂值設定為1.0×10-4，定義結果輸出路徑和工作路徑，啟動求解器進行數值求解。

（五） 后處理

通過對比可以得到以下結論：當邊界條件相同時，調擋水板的結構影響著壓力分布和出氣口部位的進水量，出氣口的空氣速度和出氣口的水流速度沒有直接關系，出氣口的空氣壓力和出氣口的水流速度沒有直接關系。根據計算結果，當使用空調擋水板的第3種結構時，出氣口部位的水流速度為負值，即出氣口部位不會進水。

三、試驗驗證

通過查閱資料了解到，目前沒有汽車空調進氣系統的試驗方面的文獻，所有汽車公司對空調進氣系統性能的判斷都是通過整車淋雨試驗進行，因此本論文中計算結果的驗證也是通過整車淋雨試驗進行。

按照3種空調擋水板的方案制作3個快速樣件，分別安裝到整車上進行淋雨試驗。雨量為2400mm/h，在淋雨試驗的30分鐘內，試驗員一直位于駕駛室內觀察各密封部位的密封情況。在試驗過程中要將空調工作模式為外循環，且風量開到最大。

試驗結果如下：擋水板1安裝到車上進行試驗時，20分鐘時，駕駛室開始出現水漬，試驗后檢查，鼓風機內有少量積水。空調進氣格柵上有大量水珠。擋水板2安裝到整車上進行試驗時，30分鐘時，試驗后檢查，鼓風機內有少量積水。空調進氣格柵上有少量水珠。擋水板3安裝到整車上進行試驗時，30分鐘時，試驗后檢查，鼓風機內無積水。空調進氣格柵上有少量水珠。

通過試驗對比可知，試驗結果與數值模擬結果基本一致，本文提到的空調進氣系統水氣分離結構已經很好的解決了空調進水的問題。

四、結論

本文采用仿真分析和試驗相結合的方法，結合企業實際存在的工程問題和在研項目，深入分析空調擋水板對水氣分離的影響，總結出這些影響因素的權重比;通過軟件仿真研究大雨量條件下空調系統進行內外換氣時的氣液兩相流的流場、氣液分離情況、氣帶液量、壓力分布，研究出擋水板布置對氣液分離的影響規律，總結出空調進氣系統水氣分離結構的設計方法

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