乘用車空調(diào)進氣格柵功能設計研究

張秀娟

摘 要：乘用車空調(diào)進氣格柵是前擋風玻璃、發(fā)動機艙蓋、翼子板之間的外觀覆蓋件，同時為空調(diào)系統(tǒng)呼吸新鮮空氣提供入口，保護雨刮系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)免受雨水侵蝕，引導氣流、水流，屬于外觀功能件。該文重點介紹空調(diào)進氣格柵的水、氣等功能設計開發(fā)、應用計算機流體軟件展開的相關研究以及成果。

關鍵詞：空調(diào)進氣格柵 水管理 氣管理

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0112-02

乘用車空調(diào)進氣格柵是前擋風玻璃、發(fā)動機艙蓋、翼子板之間的外飾覆蓋件，縱向連接前風擋玻璃以及發(fā)動機艙蓋，橫向連接左右翼子板，一般為黑色塑料件，實物外觀以及整車位置如圖1所示。

空調(diào)進氣格柵與車身鈑金共同圍成一個空腔，在這個空腔里布置有前雨刮系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)的進氣口，空調(diào)進氣格柵是空調(diào)系統(tǒng)新鮮空氣的入口，同時保護雨刮系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)免受雨水侵蝕，空腔是水流及氣流的通道，該文重點介紹空調(diào)進氣格柵的水、氣等功能設計的開發(fā)。

1 氣管理

空氣通過發(fā)動機艙蓋與空調(diào)進氣格柵之間間隙進入，通過空調(diào)進氣格柵開口到達車身空調(diào)進氣腔，在腔內(nèi)流動并通過位于腔內(nèi)的空調(diào)進氣口最終進入空調(diào)箱，實現(xiàn)冷熱調(diào)節(jié)后按客戶設置經(jīng)由吹面風道、除霜風道送達至目標區(qū)域，如圖2進氣流路斷面示意圖。

氣體在管道內(nèi)流動實質(zhì)是通過犧牲自身能量以克服流動阻力的過程，空調(diào)鼓風功能本質(zhì)上是鼓風機模塊所產(chǎn)生的壓力克服氣流流路上流動阻力的結(jié)果，進氣氣路上壓降的大小直接影響鼓風模塊功耗，該文主要涉及空調(diào)箱進氣口上游進氣通道，確保其在一定空氣流量情況下流阻處于合理水平。總阻力損失主要由摩擦阻力和局部阻力構(gòu)成。摩擦阻力損失是指氣體沿管道流動時由于質(zhì)點間的內(nèi)摩擦力及與管壁之間的外摩擦而引起的能量損失，壓力降參考范寧公式：

局部阻力損失：當氣體流過的管道發(fā)生局部變化時，就在管道的局部變化地區(qū)發(fā)生氣體與管壁的沖擊，因而造成一部分能量損失。

工程上常見的流體流速范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)λ近似等于常數(shù)。當管路及輸送的流體一定時，l、d、Σζ、ρ均為定值，故R等于常數(shù)，稱之為阻力系數(shù)。項目設計上，用阻力系數(shù)（R值）來表征進氣流道的流阻大小：R=P/Q2（其中P為流道靜壓降Pa；Q為空氣流量l/s），阻力系數(shù)（R值）表征的是流道順暢程度。理論上，流道結(jié)構(gòu)不變的情況下，R值也唯一。

空調(diào)進氣壓降設計工作中通常借助計算流體商業(yè)軟件進行虛擬分析實現(xiàn)，其分析原理基于流體力學理論，計算過程涉及流體力學連續(xù)性方程，即運動流體物質(zhì)守恒方程以及動量方程，及流體流動過程中受各種力作用下的平衡方程[1，2]。分析步驟從數(shù)據(jù)的收集到前處理劃分網(wǎng)格，設置邊界條件，到計算輸出結(jié)果，其中網(wǎng)格生成采用四面體畫法，最后通過生成的網(wǎng)格導人Fluent軟件進行計算。

通過計算機仿真技術(shù)的應用以及經(jīng)驗積累發(fā)現(xiàn)，空調(diào)進氣格柵開口面積、位置，空調(diào)進氣格柵與發(fā)動機艙蓋之間的間隙大小，車身空調(diào)進氣腔結(jié)構(gòu)形式等都是影響阻力系數(shù)的關鍵因素。空調(diào)進氣格柵開口面積越大，進氣阻力越小，但是過大的開口面積，會導致車身空調(diào)進氣腔排水負擔過重，排水不及時等問題，因此開口面積的大小需要根據(jù)整車空氣流量的大小并結(jié)合車身空調(diào)進氣腔的排水能力綜合制定。為確保整車開發(fā)過程中空調(diào)進氣壓降設計上處于合理水平，空調(diào)進氣格柵進氣面必須布置在正壓區(qū)，為保證空調(diào)進氣口的水汽分離，空調(diào)進氣格柵上的開口距離空調(diào)進氣口距離至少大于250 mm。車身空調(diào)進氣腔結(jié)構(gòu)受前艙區(qū)域總布置得影響，在保證前艙布置的前提下，截面面積盡可能大并且均勻一致，車身空調(diào)進氣腔寬深比大于3，腔內(nèi)支架的設計也要考慮對氣流的阻力影響。

2 水管理

乘用車空調(diào)進氣格柵是前擋風玻璃，發(fā)動機艙蓋，翼子板之間的外飾覆蓋件，下雨或洗車時，大部分的水會從車頂沿前擋風玻璃流下，積水從進氣格柵上的孔狀結(jié)構(gòu)流入車身腔體內(nèi)，從圖2可以看出，乘用車空調(diào)進氣格柵區(qū)域有雨刮系統(tǒng)，空調(diào)進氣口等需要防水的部件，雨刮電機水侵入會導致系統(tǒng)不能正常運行，影響行車安全，空調(diào)系統(tǒng)水侵入會影響鼓風機性能，嚴重的甚至會出現(xiàn)水侵入乘客艙，影響車輛最基本的擋風遮雨功能，因此該區(qū)域需要考慮安全有效的水管理。前期設計時，要充分考慮空調(diào)進氣格柵對外界水流的導向以及車身空腔結(jié)構(gòu)的排水能力，車身空調(diào)進氣腔內(nèi)的積水高度不能超過雨刮電機以及空調(diào)進氣口的布置高度，并要有足夠的設計余量。

為提升前期設計的精確度，同樣借助計算機流體動力學軟件來模擬水流狀況，積水高度等，計算采用VOF多相流模型的瞬態(tài)模擬，通過定義VOF界面，進行數(shù)值模擬，顯示在既定的邊界條件下水的容積，積水的高度以及水流速度等，為空調(diào)系統(tǒng)以及雨刮系統(tǒng)的布置提供設計指導[3]。首先對空調(diào)進氣格柵、車身空調(diào)進氣腔、雨刮系統(tǒng)、空調(diào)內(nèi)循環(huán)進氣口，前擋風玻璃等關鍵子系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分，從以上子系統(tǒng)三維幾何模型中提取VOF分析的邊界條件，邊界條件設置完成后，有計算機分析并輸出分析結(jié)果，具體結(jié)果分析實例如下。

（1）水流高度跟空調(diào)內(nèi)循環(huán)進氣口之間的關系，根據(jù)計算結(jié)果給工程設計提供輸入，如果水流高度超過內(nèi)循環(huán)進氣口高度，需要修改設計降低水流高度或者增加水流擋板防止水侵入。

（2）水流高度跟雨刮電機及連桿機構(gòu)之間的關系：根據(jù)計算結(jié)果給工程設計提供輸入，如果水流高度高于雨刮電機的高度，需要修改設計降低水流高度或抬高雨刮電機，防止電機進水影響性能。

車身空調(diào)進氣腔是水流和氣流的通道，通常設計時考慮足夠的坡度設計并保證開口面積來加速水流的速度，根據(jù)水往低處走的物理常識，中間位置是最高點，將排水口設計在兩側(cè)位置低點，從而將水導向兩側(cè)安全區(qū)域。

3 結(jié)語

該文從空調(diào)進氣格柵的功能要求著手，從水、氣管理兩方面介紹了關鍵影響因素及其原理，影響因素間存在著相互的制約關系，在設計中需要綜合考慮其對水、氣的影響，該文借助計算機流體軟件模擬該區(qū)域的氣流受阻狀況、水流狀況以及積水高度，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可以調(diào)整設計找到最優(yōu)匹配方案，改變了傳統(tǒng)設計中的依靠經(jīng)驗進行定性分析、缺少定量數(shù)據(jù)的設計方法，有助于設計優(yōu)化，從而提高設計開發(fā)質(zhì)量。

參考文獻

[1] 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：235-238.

[2] 周俊杰，徐國權(quán)，張華俊.FLUENT工程技術(shù)與實用分析[M].北京：中國水利水電出版社，2010：13-15.

[3] 趙玉新.FLUENT幫助手冊[M].長沙：國防科技大學出版社，2003：35-40.