計算機模擬計算在汽車空調風量開發中的應用

王明明，郭　輝,封姿羽，于海珠

(1.空軍航空大學計算機教研室，吉林長春 130022;2.長春工業大學信息傳播工程學院，吉林長春 130012)

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計算機模擬計算在汽車空調風量開發中的應用

王明明1，郭輝1,封姿羽2，于海珠1

(1.空軍航空大學計算機教研室，吉林長春 130022;2.長春工業大學信息傳播工程學院，吉林長春 130012)

[摘要]針對某車型新儀表板開發中空調吹腳模式下儀表板司機側吹面出風口出風量偏大的情形，運用計算機模擬分析方法，完成對新儀表板中風道結構的優化，改善風量分配不均的不足，使其滿足開發要求。

[關鍵詞]計算機模擬分析；風量分配；風道優化

傳統的汽車空調風道及出風口主要采用經驗的設計方法，存在內部結構設計不明、氣體流動狀況不明、敏感部件無法準確記錄等不足。通過計算機模擬的方法，可以記錄任意結構細節的變動對于性能影響的貢獻，快速形成不同的結構方案供設計師選擇，在提高工作效率的同時縮短開發周期，并且作為長期的知識積累留下充分的證據和材料。

本文的研究背景是在某車型儀表板的全新開發中，路試試驗抱怨在空調吹腳模式下左側(司機側)吹面出風口風量偏大。通過CFD計算機模擬分析的手段，能夠找到問題產生的根源，進行相應的結構優化，為最終問題的解決提供準確的預測和結構優化的指導。

1計算方法及計算模型

1.1控制方程組

CFD(計算流體動力學)的控制方程組為N-S方程，包括流體連續方程、流體動量方程及流體能量方程等。本文的控制方程組只包括連續方程和動量方程。

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

其中，u為速度，p為壓強，μ為動力粘性系數，ρ為密度。

通過以上方程，把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場量之間關系的代數方程組，然后通過計算機求解代數方程組獲得場變量的近似值。

1.2計算資源

計算時采用36個CPU并行計算，每天可以完成5個方案的計算,確保了計算效率。

1.3計算模型

在模擬計算介入后，首先根據路試狀態儀表板結構，分別對空調吹腳模式和吹面模式下風道進行模型搭建，并作為基礎模型(圖1和圖2)。進口設為質量流量進口，出口為壓力出口邊界條件,湍流模型選擇k-epsilon standard。

圖1　吹腳模式風道基礎模型

圖2　吹面模式風道基礎模型

2問題背景、計算驗證及優化目標

2.1路試抱怨

某車型新儀表板路試抱怨，在空調吹腳模式下，司機側吹面出風口出風量明顯偏大，影響用戶體驗。

2.2基礎模型模擬計算

對基礎模型進行了計算分析，吹腳模式下司機側吹面出風量分配百分比為12.1%，副司機側僅為3.5%，司機側出風量約為副司機側的3倍。模擬計算結果，也證實了路試抱怨問題的存在。

圖3　吹腳模式出風口風量分配百分比

在圖3中，PAS_SL為左側(司機側)吹面出風口，PAS_ML為中間左側吹面出風口，PAS_MR為中間右側吹面出風口，PAS_SR為右側(副司機側)吹面出風口，FAS_FL為前排左側吹腳出風口，FAS_FR為前排右側吹腳出風口，FAS_RL為后排左側吹腳出風口，FAS_RR為后排右側吹腳出風口。

分析圖4、圖5可知，大部分氣流吹向司機側，僅僅小部分氣流流向副司機側。產生該問題的原因是氣流進入風道連接件后，由于壁面的阻礙和反射，導致氣流方向發生改變。因此，要解決吹腳模式兩側吹面出風量不均問題，應該從調整風道連接件內部氣流流向著手。

圖5　吹腳模式風道連接件內部流場結構

2.3優化目標

模擬計算結果和試驗結果，均表明吹腳模式下司機側吹面出風口風量偏大。因此，優化目標是降低司機側吹面出風口風量，使兩側吹面出風口風量均勻。同時，需要注意的是，在優化吹腳模式過程中，風道結構的改變可能影響吹面模式的風量分配。

3優化分析

3.1探索優化方向

根據流場結構分析，通過優化更改風道連接件來調整氣流方向，從而改善流量分配。優化方案Opt_01是在風道連接件內添加一個導流片，誘導氣流向副司機側流動,模擬計算結果表明，兩側吹面出風口流量分配得到明顯改善,且吹面模式不會受到影響。同時，探索其它優化方向，方案Opt_02是在左側風道內添加一導流片，阻礙氣流向司機側流動。方案Opt_02雖然使流量分配得到一定改善，但是吹面模式流量分配變差,該優化方向行不通。

圖6　優化方案Opt_01、Opt_02結構更改

100%FASMode100%PASModePAS_SL(%)PAS_SR(%)FAS_FL(%)FAS_FR(%)FAS_RL(%)FAS_RR(%)PAS_SL(%)PAS_ML(%)PAS_MR(%)PAS_SR(%)Basis12.13.521.318.022.123.124.026.627.621.8Opt_019.65.221.219.721.722.723.527.027.422.1Opt_0210.74.721.019.621.422.619.928.228.723.1

3.2進一步優化

為進一步優化吹腳模式吹面出風口風量分配，優化方案Opt_05根據前面的方案，在風道連接件內添加第二個導流片。計算結果表明兩側吹面出風口流量分配基本均勻，吹面模式不會受到影響。

優化方案Opt_08是根據方案Opt_05，考慮工藝要求，使中間導流片的高度降低到9mm(Opt_05高度為15mm)。計算結果表明，吹面出風量司機側為8.6%、副司機側為6.5%，還需要進一步優化，吹面模式不會受到影響。

優化方案Opt_12是在方案Opt_08的基礎上，左側導流片延長10mm并向右偏移10mm，中間導流片延長30mm。流量分配得到進一步改善，吹面模式不會受到影響。

圖7　優化方案Opt_05、Opt_08和Opt_12結構更改

100%FASMode100%PASModePAS_SL(%)PAS_SR(%)FAS_FL(%)FAS_FR(%)FAS_RL(%)FAS_RR(%)PAS_SL(%)PAS_ML(%)PAS_MR(%)PAS_SR(%)Basis12.13.521.318.022.123.124.026.627.621.8Opt_057.97.221.517.422.423.523.226.927.822.1Opt_088.66.521.219.621.522.723.726.727.721.9Opt_128.27.021.617.522.523.423.327.127.622.0

3.3滿足優化目標

優化方案Opt_16是在方案Opt_12的基礎上，考慮工藝要求修改完善的方案，吹面出風量司機側8.2%、副司機側6.8%，與此同時，吹面模式不會受到影響。

優化方案Opt_17是在Opt_15的基礎上收縮風道完成的，吹面出風量司機側7.8%、副司機側7.4%，左右吹面出風口流量分配比較均勻，吹面模式不會受到影響，但是生產模具會發生較大改變。

優化方案Opt_18是在方案Opt_16的基礎上，添加第三個導流片，吹面出風量司機側7.7%、副司機側7.5%，兩側吹面出風口流量分配基本相同，吹面模式不會受到影響。

圖8　優化方案Opt_16、Opt_17和Opt_18結構更改

100%FASMode100%PASModePAS_SL(%)PAS_SR(%)FAS_FL(%)FAS_FR(%)FAS_RL(%)FAS_RR(%)PAS_SL(%)PAS_ML(%)PAS_MR(%)PAS_SR(%)Basis12.13.521.318.022.123.124.026.627.621.8Opt_168.26.821.617.522.423.523.327.627.022.1Opt_177.87.421.617.422.423.423.027.127.822.1Opt_187.77.521.517.422.423.523.227.127.722.0

3.4各優化方案流量分配效果

受篇幅限制，本文只分析了部分優化方案，其余優化方案不再贅述。為了使大家了解整個模擬計算的優化過程，表4展示了整個項目所有優化方案各出風口風量分配百分比。

表4　各優化方案出風口風量分配百分比

4試驗驗證及方案確定

4.1試驗驗證

本人根據模擬計算結果，向結構工程師推薦了優化方案Opt_5和優化方案Opt_16，為驗證效果，結構工程師制作了快件并進行了試驗。表5為空調吹腳模式和吹面模式的試驗結果和計算結果，表中給出的是司機側吹面出風量和副司機側吹面出風量的比值。

與此同時，將快件(根據方案Opt_16制作)裝到實車上，先由結構工程師、模擬計算工程師等相關專家進行主觀舒適性感受，兩側出面出風口風量一致，沒有發現明顯區別，路試抱怨成功解決；樣車送往評價，該問題被完美消除，沒有任何抱怨。

表5　司機側吹面出風量和副司機側吹面出風量的比值

4.2方案確定

從風量分配效果看:(1)優化方案Opt_05效果還是比較好的，但是方案Opt_05中添加的導流片高度太高，不滿足工藝生產要求；(2)優化方案Opt_16的計算結果和試驗結果均表明，該方案流量分配較好，可以滿足技術要求。綜合考慮生產工藝要求、經濟性以及生產時間安排等情況，結構工程師采用方案Opt_16。

5結論

本文通過真實項目某車型空調吹腳模式風量分配優化計算案例，對整個計算過程進行了提煉。(1)通過計算機模擬的方法，則可以記錄任意結構細節的變動對于性能影響的貢獻，快速形成不同的結構方案供設計師選擇，提高工作效率的同時縮短開發周期，作為長期的知識積累可以留下充分的證據和材料；(2)對于空調風量分配的模擬計算分析，可以做到與試驗結果的統一，通過模擬計算的方法，可以有效地指導結構部件的設計；(3)模擬計算的主要工作集中在開發工作的中前期，通過大量的模擬方案能夠確定正確的設計方向。

[參考文獻]

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The Application of Computer Simulation in AC Development

WANG Ming-ming1, GUO Hui1,FENG Zi-yu2,YU Hai-zhu1

(1.Aviation University of Air Force,Changchun Jilin 130022,China;2.Changchun University of Technology,Changchun Jilin 130012,China)

Abstract:In this paper, the author aimed at the question of instrument board’s air volume in driver side is too bigger than car co-pilot, making use of the computer simulation analysis to optimize the air duct and equal the air distribution and satisfy the develop demands of instrument board design.

Key words:computer simulation analysis; air distribution; air duct optimization

[收稿日期]2016-05-10

[作者簡介]王明明(1984- )，女，講師，從事計算機應用、數據挖掘研究。

[通訊作者]郭輝(1961- )，男，副教授，從事計算機控制研究。

[中圖分類號]U463.851

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-7602(2016)06-0060-05