某SUV車型乘員艙氣流均衡性分析

郭亞朝 王文龍 梁正偉 楊麗 劉德春

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

隨著汽車產品的逐漸升級，消費者對舒適度要求逐漸提高。為提高產品競爭力，需要在整車開發過程中保證乘員艙內氣流均衡性，防止乘員產生過冷過熱等不適感受，得到較好的乘員舒適性。在產品開發過程中應用CFD仿真技術識別和規避風險，進行設計方案驗證和優化，能夠很大程度上降低產品開發成本縮短開發周期。文章基于某SUV車型進行乘員艙內氣流均衡性CFD仿真分析和結構優化，最終在整車上實現了良好的熱舒適性。

1 理論基礎

CFD仿真是基于質量守恒、牛頓第二定律及能量守恒3個流體運動基本原理，其數學描述為連續性方程、動量方程和能量方程[1]。文章為冷態流場分析，不涉及能量方程。

在湍流數值模擬方法中標準的k-ε模型是經典的雙方程模型，在當前仿真分析中廣泛應用，其中包含k和ε2個未知量，對應的輸運方程為[1]：

式中：Gk，Gb——平均速度梯度和浮力引起的湍動能的產生項，kg/（m·s3）；

YM——可壓湍流中脈動擴張的影響，kg/（m·s3）；

C1ε，C2ε，C3ε——經驗常數；

Sk，Sε——用戶定義的源項，kg/（m·s3）；

ρ——流體體積質量，kg/m3；

ε——湍流耗散率，m2/s3；

k——湍動能，J/kg；

ui——i方向上的速度分量，m/s；

t——時間，s；

μ，μt——流體動力粘度和湍動粘度，Pa·s；

σk，σε——湍動能和耗散率的prandtl數。

2 設計目標

因為不同國家的消費者對舒適度要求不同，所以必須保證乘員艙氣流均衡性，相應的設計目標如下。

1）出風范圍要求：鉛垂方向，極上位置吹到人頭部以上，目標角度為α，極下位置處吹到腹部，目標角度為β；水平方向，氣流能夠包絡整個身體，目標角度分別為γ和δ，如圖1所示。

2）風量分配均勻。前排4個出風口設計目標均為15%~25%，后排2個出風口均為5%~15%。

3）出風口速度均勻度（UIV）不小于70%。UIV計算公式：

式中：Vf——f單元上的速度，m/s；

Af——f單元的面積，m2；

Vˉ——面平均速度，m/s。

3 仿真分析

3.1 仿真模型建立

基于CAD數據建立乘員艙CFD仿真模型，各出風口位置，如圖2所示。

3.2 仿真工況確定

針對設計目標確定仿真工況，如表1所示。

表1 CFD仿真工況要求

3.3 仿真結果及評價

1）由CAS1得到流量分配比例及各出風口速度均勻度，如表2所示，各出風口速度云圖，如圖3所示。

表2 CAS1中各出風口流量分配比例和均勻度 %

仿真結果顯示：流量分配滿足設計要求。后排2個出風口均勻度小于70%，不滿足要求。

2）由CAS2得到水平方向等速面，如圖4所示。從圖4可以看出，氣流在乘員前方交匯，并擴散到兩側肩部，滿足設計要求。

3）由CAS3得到鉛垂方向極上位置等速面仿真結果，如圖5所示。從圖5可以看出，氣流方向未達到頭部以上α角位置，不滿足設計要求。

4）由CAS4得到鉛垂方向極下位置等速面仿真結果，如圖6所示。從圖6可以看出，氣流方向達到腹部β角位置，滿足設計要求。

4 優化方案及CFD驗證

針對上述不滿足設計要求的項目進行結構優化，優化前后結構變化，如圖7所示。優化前后仿真結果，如圖8所示。

優化后，后排出風口速度均勻度分別為80%，81%；格柵處于極上位置時氣流方向達到頭部以上α角位置，滿足了設計要求。

由于進行優化后可能導致其他項目不再滿足設計要求，經驗證這種優化方案滿足其他設計要求，所以確定為最終方案。

5 試驗驗證

試驗工況車速為60 km/h，環境溫度為40℃，濕度為50%，日照強度為1 000 W/m2，空調為吹面模式、內循環、最大制冷。試驗測試結果，如表3所示。

表3 各工況風速測試試驗數據表 m/s

試驗結果顯示，乘員艙內氣流均衡，乘員未出現嚴重冷熱不均現象。

6 結論

在整車開發過程中的詳細設計階段，采用CFD仿真分析手段對乘員艙氣流均衡性各項設計目標達成情況進行了評估和預測。針對不滿足項目提出了可行性改善方案。按照優化后的結構進行樣車試驗，結果顯示乘員艙內氣流均衡，滿足各項設計指標。驗證了在產品開發前期引入CFD仿真分析能夠實現性能的預測，合理規避設計中的風險，降低后期試驗整改和設計變更成本。