轎車空調風道溫度場特性分析與結構優化

嚴運兵 ，丁明亮，劉穎星，鄭之兵，佘國芹

YAN Yun-bing1，DING Ming-liang1，LIU Ying-xing2，ZHENG Zhi-bing1，SHE Guo-qin1

（1.武漢科技大學 汽車與交通工程學院，武漢 430081；2.萬向通達股份有限公司技術中心，武漢 430056）

0 引言

隨著汽車市場的發展，空調系統在汽車中發揮著越來越重要的作用，其性能的好壞影響著駕駛艙和乘員艙的舒適性，空調系統的模擬與分析計算受到了越來越多的重視[1]。計算機和數值計算的發展推動了基于CFD的空調優化設計，研究成果均改善了車室內的氣流組織[2～5]。車室內氣流的速度、溫度直接影響乘員良好的體驗效果，空氣被風道送進車內，各風道分配空氣流量，改變氣流方向，并使其以一定速度定向流動，運動平衡后在車室內形成適宜的溫度場分布，從而提高熱舒適性[6,7]。因此風道內氣流組織在空調系統不同工作模式下的速度場和溫度場分布特性尤為重要，如果風道設計或者布置不合理，將很可能導致車內的舒適性變差[8]。

某轎車的空調系統在前后排全制冷模式下出現了后排出風口溫度比前排出風口溫度高的問題，在一定程度上影響了車室內的舒適性體驗。本文遵循故障原因分析、三維建模、計算分析、試驗驗證、結構優化的技術路線，對空調系統出現的故障進行技術分析；對風道系統的溫度場分布特性進行數值模擬；對計算得出的仿真結果進行試驗驗證；在此基礎上通過結構優化以解決車室內出現的溫差問題。

1 空調系統故障原因分析

1.1 常規故障分析

該轎車在夏天開啟空調時，車室內乘員頻繁感覺前排比后排要更涼爽一些，測溫設備得到的數據顯示前后排達到了近3℃的溫差。圖1中列出了可能出現的導致制冷不佳的一些主要原因[9]。

圖1 制冷效果不佳原因

空調工作模式被切換到前后排全制冷狀態時，待轎車空調工作穩定、車室內氣流組織運動平衡后，對可能出現的制冷不佳原因一一進行了檢查。經全面分析，蒸發器、鼓風機、壓縮機、冷凝器、空調電氣系統外部管路等部件工作正常，系統密封性良好。

1.2 幾何結構分析

轎車空調出風口主要包括前排吹臉出風口、前排吹腳出風口、前排除霜出風口、后排吹臉出風口和后排吹腳出風口，圖2為空調風道總成截面示意圖。

圖2 空調風道總成截面示意圖

圖2所示模式是手動空調在全制冷狀態下各風門的實際工作情況，空氣從進風口被送入風道，經過濾、凈化，與蒸發器進行熱交換而受到冷卻。在鼓風機作用下，被冷卻的空氣最終從出風口吹出。

從結構的初步分析可知，暖風芯體左下部與后排吹臉、吹腳出風口處的通道處于連通狀態，暖風芯體所發出的熱量對下出風口（即后排吹臉、吹腳出風口）存在一定程度的熱干擾，這種熱干擾可能是前后排出現溫差的主要原因。為驗證這一設想，本文采用CFD方法對空調風道進行數值模擬，根據計算結果提出優化方案。

2 CFD軟件模擬

2.1 數學模型

汽車車室內流場的運動通常認為是不可壓縮的湍流流動，符合粘性流體動力學N-S方程連續介質假設。而目前，可以應用于汽車車室內流場的湍流數值模擬方法主要有直接數值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）、Reynolds平均法（RANS）[10]。

在數值模擬方法中關鍵是建立合適的湍流模型，由于k-ε模型在模擬車室內溫度場較試驗結果吻合很好，因此本文湍流模型采用RNG k-ε方程描述。

1）連續性方程：

2）動量守恒方程：

3）ε方程：

4）k 方程：

5）能量守恒方程：

有效粘度ueff根據下式計算：

上式：ρ是流體密度,單位是kg/m3；k是湍動能，單位是m2/s2；ε是湍流耗散率，單位是kg/(m·s)；ut為渦粘性；s是表面積，單位是m2；T代表熱力學溫度，單位是K；umol表示分子粘度；ak、aε、C1ε、C2ε是經驗常數，其取值如表1所示。

表1 經驗常數值

2.2 CFD模型及邊界條件的分析

2.2.1 CFD模型

由于空調系統風道總成結構較復雜，在CATIA中建立三維數字模型后并進行簡化處理[11]，得到的空調風道總成流體計算域模型如圖3所示。

圖3 空調風道總成流體計算域模型

將簡化后的模型導入Fluent前處理器Gmbit中劃分網格。由于風道總成殼體容積較大，本文對整個風道總成物理模型計算域采用自適應四面體網格劃分，生成了75萬多個網格單元。Fluent中自適應網格技術可以實現多種自適應函數，以期根據計算得到的結果反過來調整和優化網格，從而使得計算結果更加精確，這是目前CFD應用中提高計算精度的最重要技術之一。

2.2.2 邊界條件分析

網格劃分后較重要的是求解器中邊界條件的分析和設定。模擬計算時整個空調風道總成模型內部為流體部分，由于空氣流動要通過蒸發器，因此需要將蒸發器部分設置為多孔介質。暖風芯體具有與蒸發器類似的結構，在本文所模擬的條件下，其沒有空氣通過，空氣只與暖風芯體的一個面有接觸，因此可以將其作為一個固定熱源處理。

經綜合分析，速度入口條件為：初始溫度為35℃，切向速度為21m/s，湍流強度為5%，湍流粘度比為20；出口壓力條件為：出口背壓為0，湍流強度為10%，湍流粘度比為20。邊界條件設定后，最后運用Fluent求解器求解。

2.3 CFD模擬結果分析

運用Fluent求解器，根據已設定的邊界條件，對風道內的空氣流動速度場和溫度場分布特性進行模擬，求解過程采用SIMPLE壓力修正法迭代[12]，得到了空氣流動速度場分布圖4和溫度場分布圖5。

圖4 速度場分布圖

圖5 溫度場分布圖

由圖4速度場分布圖可以看出，進風口速度較快，大約為20.8m/s；隨后速度逐漸降低，尤其是經過蒸發器后速度下降明顯，因為蒸發器對氣流有一定的阻礙作用；到了前排吹臉和后排吹臉處速度基本降為7.3m/s，符合轎車空調最大出風口速度。

由圖5溫度場分布圖可以看出，進風口溫度為35℃，隨后溫度逐漸降低，尤其是通過蒸發器時，蒸發器的制冷作用導致溫度降低較快。最終后排出風口溫度比前排出風口溫度高，由圖2風道總成的截面示意圖可知，暖風芯體的下面正對著后排出風口。

3 試驗結果驗證

3.1 試驗條件控制

為評價數字模擬結果的可靠性和準確性，本文參考QC/T657-2000《汽車空調制冷裝置試驗方法》[13]以及汽車空調行業標準，應用溫度測量精度為士0.2℃的TTC試驗臺，采用熱電偶直接測量法測取了空調分風道出風口溫度值。

試驗時將空調的工作狀態切換為前、后吹臉模式，前、后排測點位置置于距離出風口平面往內2cm～3cm處；熱電偶沿線離頂端3cm～4cm處折彎，熱電偶部分置于距離出風口截面2cm～3cm處；在前、后吹臉出風口處各布置四個熱電偶，熱電偶連接導線用錫鉑紙固定在空調分風道殼體上，分別如圖6、圖7所示。

圖6 前排吹臉熱電偶布置

圖7 后排吹臉熱電偶布置

相關測點和熱電偶布置完成后，將空調切換到前、后排吹臉全制冷狀態，另外，為了保證試驗結果的準確性，用錫鉑紙將前排除霜出風口、前排吹腳出風口、后排吹腳出風口均作密封處理，并在可能漏風的地方用膠泥堵上，盡量消除其他因素對試驗結果的影響。

3.2 試驗結果分析

在前、后排吹臉全制冷模式下，監測點1～4是前排吹臉出風口處四個熱電偶的車身坐標位置；監測點5～8是后排吹臉出風口處四個熱電偶的車身坐標位置。8個監測點溫度的具體數值如表2所示。而上述8個監測點的模擬分析溫度值如表3所示。

表2 前后排各監測點測得的實驗數據（單位℃）

表3 前后排各監測點模擬分析值（單位℃）

由表2可見，前排吹臉出風口處四個監測點的溫度值很接近，而后排吹臉出風口處四個監測點溫度中有兩個溫度值與前排吹臉出風口的溫度值很接近，但有兩個監測點的溫度值比其他點溫度值高，即后排靠近暖風芯體的出風口處兩監測點溫度值比其余6個監測點大，并且后排吹臉出風口的平均溫度比前排高2.7℃，而表3后排吹臉出風口的平均溫度比前排高3.1℃。由此基本可以確定暖風芯體的熱干擾對后排出風口有一定影響，試驗結果與上述CFD數值仿真結論一致，也驗證了故障分析的正確性。

4 風道結構優化及驗證分析

4.1 風道結構優化

根據CFD數值模擬和試驗結果對比可知，打開空調時，車室內前、后排溫差產生的主要原因是由于暖風芯體對后吹臉風道出口處有熱干擾，以至于后排出風口溫度比前排出風口溫度值高，因此在暖風芯體與后吹臉出風道出口處設計一個風門，將暖風芯體與后排出風口隔開。優化后的三維數字模型流體計算域如圖8所示。

圖8 優化后空調風道總成流體計算域

4.2 CFD模擬驗證

在暖風芯體與后臉風道出口處設計一風門，將風道總成三維數字模型導入前處理軟件Gambit中劃分網格，并在Fluent中設置邊界以及各種參數，所有前處理網格的劃分和相關的設置跟未加風門前是完全一樣的。

得到了風道優化后八個監測點的溫度曲線圖，圖9是監測點1的溫度曲線圖。

監測點溫度曲線圖可以得到，迭代到450步時溫度曲線趨于收斂狀態，即溫度達到平衡。八個監測點溫度值如表4所示。

圖9 監測點1溫度曲線圖

表4 前后排各監測點所測得的實驗數據（單位℃）

由表4可以看出，前吹臉四個監測點溫度與后吹臉四個監測點溫度相差較小，因此在暖風芯體與后門出風道出風口處設計一個風門，基本消除了前、后排出風口的溫差。

考慮到試驗需要耗費大量的人力、物力、財力，從節約成本和提高效率的角度出發，本文采用CFD軟件對優化后的風道溫度場再次模擬后，并沒有進行實車試驗。

5 結論

1）本文對某轎車開啟空調時車室內出現的溫差問題進行了常規檢查和分析，初步得出了產生問題的原因可能是風道結構設計不合理。

2）采用CFD數值模擬方法對其空調風道系統的氣流組織流場進行了仿真分析，得到了溫度場分布特性，仿真結果和試驗測試值相吻合，進而提出了優化方案，基本解決了車室內的前、后排溫差問題。

3）通過試驗和CFD仿真結果對比，說明了本文建立的CFD仿真分析模型可以應用于實際。利用數值方法的準確性和靈活性，研究空調風道系統的溫度場分布特性以指導其物理結構的優化設計，極大地縮短了傳統設計空調風道的時間，可大大節省成本。

[1]2013-2017年中國汽車空調行業深度調研與投資戰略規劃分析報告[R].中國市場研究院,2013,73-115.

[2]TAKABAYASHI T.Effects of the solar reduction glass on the car occupant thermal comfort by a numerical simulation[J].SAE paper,2003,012791.

[3]Park W G,Park M S,Jang K L.Flow and temperature analysis within automobile cabin by discharge hot air from defrost nozzle[J].International Journal of Automotive Technology,2006,7(2):139-143.

[4]MA Kai,PANG Shuyi.Interval optimization of uncertain suspension kinematics characteristic parameters[J].SAE Paper,2011,2011-01-0730.

[5]于淼,王東屏,襲望,等.地鐵車空調風道及車室內氣流組織數值仿真[J].大連交通大學學報,2014,35(2):1-4.

[6]朱娟娟,蘇秀平,陳江平.汽車空調除霜風道結構優化設計研究[J].汽車工程,2004,26(6):747-749.

[7]向立平,王漢青.空調客車內氣流分布的人體熱舒適性研究[J],中南大學學報,2009,40(5):1194-1198.

[8]谷正氣,申紅麗,楊振東,等.汽車空調風道改進及對乘員熱舒適性影響分析[J].重慶大學學報,2013,36(8):91-104.

[9]朱建風.汽車自動空調系統檢測與維修[M].北京:人民交通出版社,2003:82-86.

[10]唐家鵬.FLUENT 14.0超級學習手冊[M].北京:人民郵電出版社,2013:30-38.

[11]陳江平,牛永明,穆景陽.轎車空調風道的計算流體動力學分析[J].汽車工程,2002,24(2):134-136.

[12]張成芬,趙彥珍,陳鋒,等.基于改進NSGA-Ⅱ算法的干式空心電抗器多目標優化設計[J].中國機電工程學報,2010,30(18):115-121.

[13]QC/T 657-2000.汽車空調制冷裝置試驗方法[S].2000.