汽車空調進氣性能的CFD仿真及優化

陳邢希玥，聶春飛，盧祖秉

Chen Xingxiyue，Nie Chunfei，Lu Zubing

（東風日產乘用車公司技術中心，廣東 廣州 510800）

汽車空調進氣性能的CFD仿真及優化

陳邢希玥，聶春飛，盧祖秉

Chen Xingxiyue，Nie Chunfei，Lu Zubing

（東風日產乘用車公司技術中心，廣東 廣州 510800）

采用CFD方法對某車型的空調系統外循環進氣工況進行數值模擬，得到不同入口流量條件下水分離系統內部氣流壓力損失。結果發現原設計方案空調進風效果差，不能滿足空調進氣性能評價指標，影響空調整體性能。通過 CFD方法提出優化設計方案，模擬與試驗測試結果高度貼合。優化方案滿足了進氣指標，有效提高了空調整體性能。

空調進氣性能；CFD方法；壓力損失；數值模擬

0 引 言

汽車空調是指對汽車車廂內的空氣質量進行調節的裝置，是影響汽車舒適性和安全性的主要裝備之一[1]，為汽車提供制冷、取暖、通風、除霜、除霧、空氣過濾和濕度控制等功能。它能始終保持車內空氣的溫度、濕度、流速和清潔度在駕乘人員舒適的范圍內，并預防或去除玻璃上的霧、霜和雪，保障駕乘人員的行車安全。

空調系統在外循環工況時，空調配氣系統需從雨刮槽進風口處獲取足夠新鮮的空氣[2]。作為進氣的源頭，雨刮槽進風口的進氣流量和氣流流動順暢性對空調能否獲取足夠的新鮮空氣有著決定性作用。當空調進風能力不足時，空調性能下降，影響駕乘人員的舒適性。因此，為了保證空調具有充足的進氣量，空調水分離系統的設計尤為重要。

運用CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）仿真技術，對空調外循環工況下外界空氣經過空調進風口流入鼓風機的進氣過程進行分析，找到影響空調進氣量和影響氣流順暢性的結構因素。并通過結構優化，降低鼓風機進風口的壓力差，保障空調配氣系統能獲取足夠的進氣量，最終保證空調的整體性能。

1 基本理論

空調進氣過程是一個氣體流動過程，屬于三維、定常、等溫、不可壓、粘性的湍流流動，其控制方程為雷諾平均N-S方程[3]。所有的流體流動均遵守物理守恒定律，包括質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

CFD仿真中，k-ε湍流模型是應用最廣泛的經典雙方程模型，標準k-ε湍流模型和修正的k-ε湍流模型在一般的應用中差別不大[4]，選用標準 k-ε湍流模型進行計算。該模型包含2個未知量k和ε，對應的輸運方程為[5]

式中，Gk和Gb分別為平均速度梯度和浮力引起的湍動能的產生項；YM為可壓湍流中脈動擴張的影響；C1ε、C2ε和C3ε為經驗常數；Sk和Sε為用戶定義的源項。

2 仿真分析

2.1 幾何模型

以某乘用車的水分離系統作為分析對象。幾何模型如圖 1所示。由雨刮槽擋風板、與雨刮槽相連接的白車身、前雨刮、雨刮電機、引擎蓋上端、前風擋玻璃下部、A柱下部和鼓風機進氣前端組成。為保證流體網格的質量和計算的效率，建立分析模型時進行部分簡化處理，忽略對空氣流動影響較小的結構。在不影響整車計算精度的前提下，將計算域處理為一個無縫隙的封閉幾何空間。

圖1 幾何模型圖

2.2 網格模型

在STAR-CCM+軟件中，設置基本域尺寸的最小尺寸為2 mm，最大尺寸為5 mm。并根據不同位置的結構特征和對計算精度的影響進行局部網格加密設置。網格采用多面體網格，體網格總數量為600萬，如圖2所示。

圖2 體網格顯示圖

2.3 邊界條件

初始條件：環境壓力1.01×105Pa；環境溫度T=300 K；空氣密度ρ=1.184 12 kg/m3；空氣動力粘度μ=1.855×10-5Pa.s；環境空氣速度為0 m/s。

在模擬計算中，鼓風機的進風口截面為入口，采用質量流量入口為入口邊界條件，分別對入口流量為3 m3/min、4 m3/min、5 m3/min和6 m3/min的工況進行模擬。雨刮槽進風口和排水口為出口，采用壓力出口為出口邊界條件，壓力出口數值為0 Pa。其他壁面為無滑移壁面邊界條件。

由于水分離系統內氣流的速度較小，可視為不可壓縮流場，空氣的流動為三維穩態湍流，采取標準k-ε湍流模型進行計算。

2.4 計算結果

由圖 3和圖 4可知，在入口質量流量為 3 m3/min工況下，空調鼓風機進風口大部分區域的氣流壓力較大，達到84.84 Pa，高于設計性能的目標值59 Pa。入口質量流量為4 m3/min工況下，壓力損失為150 Pa，遠超目標值77 Pa。過高的壓降會影響空調的進風，導致水分離系統內部阻力增大，鼓風機的性能降低，從而影響駕乘人員的舒適性。

圖3 鼓風機進風口壓力云圖

3 優化方案

為改善水分離系統內的氣流流動的順暢性和提高鼓風機的進氣量，以降低空調鼓風機進風口氣流壓力值，需對水分離系統做局部結構優化。對初始方案的流場進行分析，采取以下優化方案：

1）在靠近副駕側增加空調進風口，如圖 5所示；

2）增加雨刮槽中間鈑金件的開孔，如圖6所示。

優化方案的壓降情況如圖7所示。對比可知，隨著空調進風口和雨刮槽中間鈑金件開孔的增加，空調鼓風機進風口的壓降明顯減小。在入口質量流量為3 m3/min工況下，優化方案的空調鼓風機進風口的氣流壓力損失為22.6 Pa，比原方案的壓降減少了62.1 Pa，降低了73.30%；在入口質量流量為4 m3/min、5 m3/min和6 m3/min工況下，壓降分別降低了73.07%、73.36%和73.61%。優化方案能有效降低鼓風機入口的壓降，滿足設計要求。

圖6 雨刮槽中間鈑金件結構對比圖

圖7 壓降直方圖

圖8～10顯示了初始方案和優化方案在入口質量流量為3 m3/min工況下空氣在水分離系統中的流動特性。初始方案中，雨刮槽中間鈑金件的開孔靠近雨刮電機，氣流進入雨刮槽后，雨刮電機阻礙了氣流的流動，部分氣流與雨刮電機相互作用后流向開孔。在靠近鼓風機進風口的位置，隨著進氣流道逐漸變窄，氣流速度逐漸變大，并在鼓風機進風口的前端形成漩渦，在鼓風機進風口處產生較大的壓力。優化模型通過在雨刮槽中間鈑金件增加開孔，部分氣流從新增的開孔處通過后直接到達鼓風機的進風口，減少了與雨刮電機相互作用的氣流量，降低了靠近鼓風機進風口處的氣流速度，使氣流更順暢地通過該位置到達鼓風機進風口，降低了鼓風機進風口處的壓力。

圖8 Z=760 mm截面速度矢量圖

圖9 鼓風機進風口壓力云圖

圖10 雨刮電機的壓力云圖

4 試驗驗證

試驗的工況為車輛靜止狀態開啟外循環模式，測量在入口質量流量為3 m3/min、4 m3/min、5 m3/min和6 m3/min條件下的鼓風機進風口處的壓降，并與仿真結果進行對比。試驗測試結果如圖11所示，4種工況下，試驗結果與仿真結果差值絕對值均小于1 Pa，二者高度貼合，且均優于設計性能目標。

圖11 試驗結果與仿真結果壓降對比圖

5 結 論

運用CFD技術對空調系統外循環工況進行仿真，對空氣在水分離系統中的流動特性進行分析，優化相應的結構得到鼓風機進風口處壓降減小的設計方案，壓降降低均在 73%以上，提高了空調的整體性能，效果明顯。

不同入口流量條件下的仿真結果與試驗結果對比發現，二者的差值絕對值均小于1 Pa，具有高度的貼合性，驗證了CFD模型的合理性，說明CFD分析是一種有效可行的分析方法。

在開發過程中合理應用CFD技術，能夠快速驗證設計方案，克服傳統設計中的局限性和盲目性，實現結構優化，減少后期試驗和設計變更的成本，對汽車水分離系統結構設計及優化有現實指導意義。

[1]劉占峰，宋力，趙丹平. 汽車空調[M]. 北京：北京大學出版社，2011.

[2]王堯飛. 汽車空調使用和保養指南[J]. 中國高新技術企業，2015，7（1）：68-69.

[3]李明，李明高. STAR-CCM+與流場計算[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

[4]姚征，陳康民. CFD通用軟件綜述[J].上海理工大學學報，2002, 24（1）：137-144.

[5]王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

U461.1：U463.85+1

：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2017.01.012

1002-4581（2017）01-0043-04

2016? 05? 18