汽車前端冷凝器進風不均勻性分析

劉彥麟　趙蘭萍　龐加斌　李義林　楊志剛　劉桂蘭

摘要： 針對汽車實際行駛過程中前端冷凝器進風不均勻的問題，采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）對不同車速下的冷凝器整個進風表面進行數(shù)值計算并分析速度變化規(guī)律；根據(jù)冷凝器結(jié)構(gòu)特點重新分區(qū)進行計算，得到更直觀的速度分布.結(jié)果表明：汽車冷凝器前端進風不均勻程度隨著車速的增加而增大；當車速低于50 km/h且風機開啟時，最大風速主要集中在冷凝器中間部分；當車速高于50 km/h且風機關閉時，最大風速主要集中在冷凝器的下半部分.

關鍵詞： 汽車空調(diào)； 冷凝器； 車速； 不均勻性； 計算流體力學

中圖分類號： U4文獻標志碼： B

Analysis on nonuniformity of airflow of

automobile frontend condenser

LIU Yanlin1a， ZHAO Lanping1a， PANG Jiabin1b， LI Yilin2，

YANG Zhigang1b， LIU Guilan1a

（1. a. Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering； b. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center， Tongji

University， Shanghai 201804， China； 2. Chongqing Changan Automobile Co. Ltd.， Chongqing 400023， China）

Abstract： As to the issue of nonuniformity of frontend condenser airflow during the actual automobile driving， the Computational Fluid Dynamics （CFD） method is applied on condenser airflow distribution analysis. As to the condenser under different automobile speed， the inlet surface is numerically calculated and the inlet airflow velocity change rule is analyzed； the condenser is divided into several zones according to its structure characteristics and recalculated to obtain more intuitive velocity distribution. The result shows that， the nonuniformity of automobile frontend condenser airflow increases with the increase of automobile velocity； the maximum airflow velocity concentrates in the central part of the condenser when the automobile velocity is lower than 50 km/h and the fan is on； the maximum airflow velocity concentrates in the lower part of the condenser when the automobile velocity is higher than 50 km/h and the fan is off.

Key words： automobile airconditioner； condenser； automobile velocity； nonuniformity； computational fluid dynamics

收稿日期： 2015[KG*9〗12[KG*9〗13修回日期： 2016[KG*9〗02[KG*9〗29

作者簡介： 劉彥麟（1991—），女，新疆烏魯木齊人，碩士研究生，研究方向為汽車空調(diào)，（Email）yl_liu0821@163.com；

趙蘭萍（1967—），女，浙江嘉興人，副教授，工學博士，研究方向為汽車空調(diào)與環(huán)境試驗設備，（Email）lanpingzhao@tongji.edu.cn0引言

整車前端冷凝器進風情況與汽車實際行駛過程直接相關，不均勻進風不僅會直接影響冷凝器的換熱效果，也會降低汽車空調(diào)系統(tǒng)的運行效率.[1]目前，對汽車空調(diào)系統(tǒng)的檢測一般采用均勻進風的臺架實驗，但由于車輛實際運行情況非常復雜，臺架實驗檢測得到的空調(diào)系統(tǒng)性能與實車的真實性能存在差異.因此，研究整車前端冷凝器進風不均勻問題，有助于了解冷凝器在實車中的運行特性.

近年來，國內(nèi)外學者已經(jīng)對汽車前端冷凝器進風不均勻問題展開一定研究.CHIOU[2]分析12種典型氣流分布下的汽車空調(diào)冷凝器性能，開發(fā)數(shù)學模型衡量不均勻氣流對一個具有扁管和平直翅片結(jié)構(gòu)的多流程冷凝器傳熱性能的影響.2009年，JUGERT等[3]利用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）對汽車前端平行流冷凝器進風不均勻性進行研究，所得結(jié)果表明前端冷凝器進氣不均時制冷量可減小7%～22%.郭凱等[4]通過建立空調(diào)系統(tǒng)模型，研究非均勻氣流速度和溫度分布對冷凝器的影響，結(jié)果表明前端溫度進氣不均的影響高于速度不均的影響.

在汽車實際行駛過程中，整車前端通常處于非均勻的進風環(huán)境，其進風情況不僅與車型密切相關，還會隨著車速的變化而變化，影響布置在整車前端的冷凝器的性能，從而對汽車空調(diào)系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要影響.針對這一問題，本文充分考慮汽車實際運行情況，通過對發(fā)動機艙內(nèi)外流場的耦合分析，研究前端進風條件對冷凝器的影響，分析速度分布規(guī)律，為提升汽車空調(diào)系統(tǒng)的能效比（Coefficient of Performance， COP）提供依據(jù)和參考.

1計算模型

1.1基本控制方程

汽車屬于低馬赫數(shù)交通工具，發(fā)動機艙內(nèi)結(jié)構(gòu)布置形態(tài)多樣，氣流流場復雜.在對發(fā)動機艙內(nèi)外流場進行耦合分析時，可將空氣介質(zhì)參數(shù)視為常數(shù)，流場按照三維不可壓縮黏性流場處理.因前艙模型復雜，容易引起氣流分離，故將汽車流場按湍流處理，流體運動遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律，具體表現(xiàn)為連續(xù)方程、動量方程和能量方程[56].各基本控制方程如下.

連續(xù)方程為uiuj=0（1）動量方程為ρuiujxj=-pxi+μeff2uixixj（2）式中：ui和uj為平均速度分量；xi和xj 為坐標分量；p為流體微元體上的壓力；μeff為湍流有效黏性系數(shù)，μeff =μt+μ，μt為湍動黏度，μ為動力黏度；ρ為密度.

在時均應變率特別大的情況下，標準的kε模型可能導致負的正應力.為使流動更合理，需要對其進行數(shù)學約束.有學者認為湍流動能黏度計算式中的系數(shù)應與應變率聯(lián)系起來，故提出可實現(xiàn)的kε模型.

式中：σk=1.0；σε=1.2；C2=1.9；C1=max（0.43，ηη+5），η=2EijEijkε，Eij=12uixj+ujxi；Gk為由平均速度梯度引起的湍流動能k的產(chǎn)生項，Gk=utuixj+ujxiuixj（5）1.2流場

本文建立的計算模型包括車身外表面、前后車輪、發(fā)動機艙、進氣格柵、冷卻系統(tǒng)模塊、發(fā)動機、變速箱、底盤系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等影響機艙內(nèi)空氣流動的主要部件.[78]由于主要分析研究汽車前端冷凝器進風的不均勻性，故盡量保存對發(fā)動機艙進氣有重要影響的零部件的真實外形，計算車型發(fā)動機艙零件布局見圖1.

流動流場可分為外流場和內(nèi)流場.為準確模擬汽車內(nèi)外流場的情況，外流場主要是由一個長方體和車身組成的流動區(qū)域，其中：車身采用某電動車的1∶1全尺寸模型，長4.8 m，寬1.8 m，高1.5 m；基本保持車內(nèi)外形狀與布置的完整性；在長方體縱向方向，車前部取3倍車長，車后部取10倍車長；在橫向方向取8倍車寬；高度方向取5倍車高，具體為62 m×14 m×7.5 m.計算域示意見圖2.

內(nèi)流場主要由發(fā)動機艙內(nèi)的各個零部件組成，各部件都會對流場產(chǎn)生影響.汽車發(fā)動機艙是一個半封閉的空間，艙內(nèi)包括冷卻系統(tǒng)、發(fā)動機、進排氣系統(tǒng)、傳動裝置以及液壓設備等元結(jié)構(gòu)，布置非常緊湊.汽車在道路上行駛，前端冷凝器進風分布規(guī)律與動力艙的進出風口形狀密切相關，進入發(fā)動機艙的空氣大部分來自汽車前部的進氣格柵，而艙內(nèi)的空氣主要從汽車后方流出.

1.3前端冷卻模塊模型

整車前端冷卻模塊結(jié)構(gòu)中的冷凝器長0.66 m，寬0.4 m，其后依次為散熱器和冷卻風扇，見圖3.這種布置方式應用廣泛，發(fā)動機艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計合理，能夠滿足發(fā)動機散熱和空調(diào)制冷的效果.由于主要關心冷凝器和前艙內(nèi)部的流場情況，所以冷凝器、前艙和汽車車身附近的區(qū)域網(wǎng)格較密，而在距整車較遠的空間中網(wǎng)格分布較疏.

冷凝器模型網(wǎng)格見圖4.在發(fā)動機艙內(nèi)，物面形狀十分復雜，各物面之間的尺寸很小，難于采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，因此在這些表面形狀十分復雜的計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.對于某給定熱交換器，其換熱性能曲線可通過測試或直接從生產(chǎn)廠家得到.本文計算用的熱交換器壓降曲線見圖5.圖 4冷凝器模型網(wǎng)格

1.4邊界條件

按流場區(qū)域不同，汽車外流場與發(fā)動機艙內(nèi)流場耦合計算的邊界條件分為外部邊界條件和內(nèi)部邊界條件.對于外部流動，其邊界條件包括：風洞速度入口邊界條件、風洞壓力出口邊界條件，風洞上表面和地面為移動壁面，流動速度等于車速.對于內(nèi)部流動：散熱器和冷凝器采用多孔介質(zhì)模擬氣流在其厚度方向上的壓降；風扇采用MRF隱式算法，轉(zhuǎn)速為2 390 r/min.整車模型三維流場計算時，采用基于有限體積法的FLUENT進行計算求解.湍流模型選用高雷諾數(shù)的可實現(xiàn)兩方程模型，壁面區(qū)采用標準壁面函數(shù)[5]，離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE算法.車輪設置為旋轉(zhuǎn)壁面條件，地面采用移動壁面邊界條件[9]，其他固體壁面均設為光滑、無滑移、不可穿透的壁面[10].

2數(shù)值計算模擬和分析

2.1冷凝器進風表面速度分布

在風機開啟狀態(tài)下，利用CFDPost依次計算車速為10，20，30，40和50 km/h時的冷凝器進風表面速度分布，結(jié)果顯示前端冷凝器進風不均勻，且車速越大不均勻程度越高.2種典型工況下前端冷凝器進氣面的速度分布云圖見圖6.當車速為20 km/h時，靠近風扇中心處表面進風速度最大，為4.89 m/s；靠近保險杠上端中心處進風速度最小，為0.32 m/s.當車速為50 km/h時，靠近緩沖器下方進風口處，最大速度達到6.02 m/s，保險杠附近速度有所下降.通過5個工況下前端冷凝器進氣面速度分布可以看出：速度較低時最大風速值集中出現(xiàn)在冷凝器中間部分.隨著車速的增加，大風速區(qū)域逐漸向冷凝器下半部分移動，小風速區(qū)域主要集中在冷凝器上半部分中心位置，且隨著車速的增加該區(qū)域逐漸擴大.

a）車速20 km/hb）車速50 km/h圖 6風機開啟時冷凝器前端氣流分布，m/s

Fig.6Airflow distribution in front of condenser when fan is on，m/s

在風機關閉狀態(tài)下，依次計算汽車速度為60，70，80，90，100，110和120 km/h時冷凝器進風面速度分布.在2種典型工況下，前端冷凝器進氣面的速度分布云圖見圖7.在車速為70和100 km/h的工況下，冷凝器進氣面速度分布規(guī)律相似：保險杠附近進風速度較小，靠近緩沖器下方進風口處速度較大；在風機關閉時，最大風速主要出現(xiàn)在冷凝器下半部分，最小風速出現(xiàn)在冷凝器右側(cè)中間位置，并且隨著車速的增加，小風速區(qū)域面積不斷擴大.為更直觀地表現(xiàn)冷凝器前端氣流分布不均勻的情況，分別計算風機開啟時車速為10 km/h和風機關閉時車速為80 km/h時的冷凝器前速度流線圖，見圖8.

a）車速70 km/hb）車速100 km/h圖 7風機關閉時冷凝器前端氣流分布，m/s

Fig.7Airflow distribution in front of condenser when fan is off，m/s

a）車速10 km/hb）車速80 km/h

Fig.8Streamline in front of condenser airflow，m/s冷凝器進氣面氣流分布非常不均勻，尤其是在風機開啟的狀態(tài)下，氣流在整個機艙內(nèi)流動情況復雜，當風機關閉后，氣流相對均勻集中.車速為10 km/h時，氣流分布在整個汽車前艙，局部速度差值達4.7 m/s；車速為80 km/h時，由于風扇作用，氣流較為集中，緩沖器左下方的進風口處速度較大.

2.2冷凝器進風速度數(shù)據(jù)處理

在不同車速下冷凝器迎風表面速度最大值、最小值和平均值的變化趨勢見圖9.風速最大值隨著車速的增加而增加：當車速為30 km/h時，風速最大值為4 m/s左右；當車速增加到120 km/h時，風速最大值為12 m/s.冷凝器迎風面最小風速值的變化趨勢很不規(guī)律，隨著車速的增加，最小風速值先增加后減小：在車速低于30 km/h和車速高于100 km/h的情況下，最小風速值都低于0.3 m/s；當車速在30～100 km/h之間時，最小風速值高于0.3 m/s；當車速為70 km/h左右時，最小風速值出現(xiàn)極大值，為0.65 m/s.隨著車速的增加，風速平均值整體呈現(xiàn)增大的趨勢，但當車速為60 km/h時風速平均值降低出現(xiàn)極小值，這是因為車速大于60 km/h時風機會關閉；當車速達到最大120 km/h時，冷凝器進風表面平均風速最大，為6.08 m/s.

a）最大風速

b）最小風速

c）平均風速

Fig.9Airflow velocity of condenser surface由于冷凝器進風表面各個點的速度值與平均速度值之間存在一定差異，故采用計算各個風速時冷凝器迎風表面速度方差的方法衡量不均勻程度.由圖10可以看出：隨著車速的增加，速度方差逐漸增大，即前端冷凝器進風不均勻程度增大.當風機開啟時速度方差的波動較大；風機關閉時速度方差波動較小.當車速達到110 km/h時，速度方差為2.47.由此可以看出，前端冷凝器進風不均勻的程度隨車速的增加而增大，相應的對汽車空調(diào)的影響也會增加.

2.3冷凝器分區(qū)計算及分析

2.3.1冷凝器分區(qū)處理方案

為充分說明前端冷凝器進風不均勻性與車速的關系，對進風表面分區(qū)處理.根據(jù)流程結(jié)構(gòu)，將冷凝器劃分成24個小區(qū)，每個區(qū)域的尺寸為0.11 m×0.10 m，按照從左到右和從上到下的順序進行編號，見圖11.

2.3.2冷凝器分區(qū)數(shù)據(jù)處理

不同車速下冷凝器迎風面上各個分區(qū)的平均風速見圖12.風機開啟時，最小風速主要集中在A3～A5區(qū)域，最小值為1.5 m/s；最大風速主要集中在A6～A8區(qū)域，最大值為3.6 m/s；風速在A6～A8區(qū)域以及A19～A24區(qū)域的波動較大.當風機關閉時，最小風速主要集中在A13～A18區(qū)域；最小值為0.14 m/s，最大風速在A24附近.由于分區(qū)較多，選擇風機開啟時A8和A13區(qū)域與風機關閉時A1，A4和A19區(qū)域的平均風速進行比較，見圖13.a）風機開啟時，各個分區(qū)平均風速b）風機關閉時，各個分區(qū)平均風速

不同區(qū)域的平均風速隨車速的變化趨勢相似，風機關閉時平均風速值降低很快，而后隨著車速增加而緩慢增大，在車速為60 km/h處有極小值，在120 km/h處達到極大值.

3結(jié)論

研究汽車前端冷凝器進風不均勻性問題，通過數(shù)值計算分析，得到以下結(jié)論.

（1）車速越大，冷凝器進風不均勻程度越大.

（2）風機的旋轉(zhuǎn)對冷凝器進氣面速度不均勻性產(chǎn)生一定影響.當風機開啟時，冷凝器迎風面最大風速集中出現(xiàn)在中間部分；隨著車速的增加，最大風速逐漸向冷凝器下半部分移動；在風機關閉后，冷凝器前最大風速集中出現(xiàn)在迎風表面的下半部分，并且平均風速先降低再增大.

（3）對冷凝器分區(qū)計算可看出，冷凝器表面風速分布規(guī)律與車速緊密相關.參考文獻：

[1]鄧斌， 陶文銓， 余汪洋. 來流不均勻性對冷凝器性能影響的數(shù)值研究[J]. 制冷與空調(diào)， 2007， 21（3）： 15. DOI： 10.3969/j.issn.16716612.2007.03.001.

DENG B， TAO W Q， YU W Y. Numerical investigation of condensers with nonuniform air distribution[J]. Refrigeration & Air Conditioning， 2007， 21（3）： 15. DOI： 10.3969/j.issn.16716612.2007.03.001.

[2]CHIOU J P. The effect of the flow nonuniformity on the sizing of the engine radiator[DB/OL]. （19800201）[20151201]. http：//papers.sae.org/800035/. DOI： 10.4271/800035.

[3]JUGERT R， MARTIN K， MONKEDIEK T， et al. Influences of nonuniform airflow on the performance of a r134a mobile air conditioning system[DB/OL]. （20091001）[20151201]. http：//papers.sae.org/2009013070/. DOI： 10.4271/2009013070.

[4]郭凱， 陳明， 張小矛. 等. 非均勻氣流與溫度分布對汽車空調(diào)性能的影響[J]. 制冷與空調(diào)， 2015， 15（1）： 3843.

GUO K， CHEN M， ZHANG X M， et al. Influences of nonuniform airflow and temperature distribution on automobile airConditionings performance[J]. Refrigeration and AirConditioning， 2015， 15（1）： 3843.

[5]楊世銘， 陶文銓. 傳熱學[M]. 4版. 北京： 高等教育出版社， 2006： 68.

[6]陶文銓. 數(shù)值傳熱學[M]. 2版. 西安： 西安交通大學出版社， 2001： 353360.

[7]王東， 樊登云， 易吉云. 格柵對汽車前端進氣影響的仿真分析[J]. 計算機輔助工程， 2013， 22（6）： 1822. DOI： 10.3969/j.issn.10060871.2013.06.004.

WANG D， FAN D Y， YI J Y. Simulation and analysis on effect of grille on automotive frontend airflow[J]. Computer Aided Engineering， 2013， 22（6）： 1822. DOI： 10.3969/j.issn.10060871.2013.06.004.

[8]LAN K， XIAO L， SRINIVASAN K， et al. The impact of vehicle front end design on AC performance[DB/OL]. （20130408）[20151201]. http：//papers.sae.org/2013010859/. DOI： 10.4271/2013010859.