空調最大制冷量的耦合模擬分析

孟祥軍 錢銳 張鑫 孫建逵

（泛亞汽車技術中心有限公司）

隨著近幾年汽車行業的飛速發展，CFD技術越來越多的應用到汽車開發中。最大制冷的模擬分析已經開始應用到開發當中，可以節省大量的前期開發時間[1]，但由于最大制冷過程中包括初始Soak狀態，此過程模擬涉及到熱輻射、傳熱、對流及光照等因素，相對邊界條件比較復雜。目前通過單一軟件進行分析，導致結果會存在很大的偏差，對前期設計沒有更好的指導意義，所以文章通過Fluent與Radtherm進行耦合計算，通過對某款車型在溫度環境為（38±1）℃，光照強度為1 000 W/m2的環境下進行Soak，當呼吸點的溫度達到60℃時，空調進行最大制冷的開啟進行模擬[2]，同時監測空調人體模型呼吸點的溫度變化，通過實際車型測試與模擬結果的對比可以看出，模擬和測試呼吸點的溫度變化基本一致，偏差不是很大，使此耦合計算在前期開發有一定的指導意義，模擬的結果更加準確。

1 模擬結果

1.1 計算網格的生成

首先在ANSA里面處理完幾何模型后，再進行面網格劃分，面網格選用三角形非結構形式，對于關鍵零部件網格大小為5～10 mm，假人模型網格大小為10 mm左右，車身網格大小為50 mm左右。圖1和圖2分別示出整車及整車內部劃分后的網格示意圖。在保證計算結果的準確下，使網格數量盡量少，當面網格計算好后導入到TGrid進行體網格劃分[3]，體網格生成采用六面體核心的畫法，與面網格接觸處通過五面體進行過渡，中間為六面體填充，最后通過生成的體網格導入Fluent進行計算。

1.2 Soak狀態下的模擬

Fluent Soak狀態下的模擬，模擬條件是處于環境溫度為（38±1）℃，光照為1 000 W/m2，整車發動機和空調鼓風機處于關閉，車速為0的狀態下進行模擬，直到呼吸點的溫度達到穩定60℃停止Soak，太陽輻射穿透玻璃的熱流量，如圖3所示，第1次計算得到假人呼吸點溫度，如圖4所示。

通過模擬結果可以得出，當為Soak狀態下，Fluent得出呼吸點穩態溫度為41.4℃，通過此模擬看出壁面溫度與實際對比偏低，在此基礎上導出Fluent下內部壁面的換熱系數和溫度，此壁面的換熱系數和溫度導入Radtherm進行計算（模擬條件與Fluent Soak模擬的環境完全一致），模擬結果，如圖5所示。

通過Radtherm得出的壁面溫度再導入到Fluent內，在FluentSoak狀態下繼續計算，重復此操作2～3次，最終達到一個穩定的狀態，最終通過Fluent計算得出呼吸點的穩定的Soak溫度60℃，此狀態作為最大制冷模擬的初始環境條件，此模擬結果也與風洞所測的呼吸點溫度基本保持一致。

1.3 最大制冷量的模擬

最大制冷能力的模擬是基于初始Soak狀態下進行的，在Fluent得出Soak呼吸點溫度為60℃基礎上再進行氣流計算，并通過空調箱單體實際所測的溫升曲線輸入到空調風道的進口當中，最大制冷艙內氣流模擬，如圖6所示。

當Fluent氣流計算穩定后（迭代大概2 000步），再打開能量模塊進行溫度計算。空調箱進口的溫降曲線，如圖7所示，空調箱進風口位置，如圖8所示。

通過給定的降溫曲線進行非穩態的計算，并設定時間步長為2S進行迭代，當迭代10 min后導出換熱系數和溫度，此對流換熱系數和溫度再導入到Radtherm Soak初始環境中，進行穩態計算，最后得出最大制冷各壁面10 min的溫度，此壁面溫度再導入到Fluent當中進行穩態計算，最后得出假人模型呼吸點的溫度。模擬過程，如圖9～11所示。

按此方法進行計算 15，20，25，30，40 min 時呼吸點的溫度。最終計算結果，如圖12所示。

2 分析及結論

1）Fluent Soak與Radtherm Soak進行耦合計算，通過Fluent計算得到換熱系數和溫度后導入到Radtherm中進行壁面溫度計算，得到的壁面溫度反過來校核Fluent，耦合3次達到穩定狀態；

2）最大制冷模擬首先需要得到一個穩定的流場后再進行溫度場的模擬，呼吸點溫度通過3～5個點進行監測后取平均值，這樣可以更好的與實際匹配；

3）通過最終模擬結果可以看出，如果能夠給出準確的空調入口溫降曲線，乘客呼吸點的分析值與實測值的溫度基本一致，使在最大制冷模擬的溫度場更加準確。