某軍車空調風管除霜性能分析及優化

程露 裴永帥 王小碧

摘要：本文應用CFD數值仿真分析方法，對某軍車空調除霜性能進行研究分析。針對該軍車前窗玻璃上的風速分布不均、除霜效率差的問題，通過調整中間風管本體結構以及導流板度等多項措施，改善該軍車空調的除霜性能。最后試驗驗證除霜風管優化結果的有效性和可行性。

關鍵詞：汽車空調;除霜;CFD優化

1 引言

隨著汽車工業的發展，汽車行駛的安全性能越來越重要。CFD仿真分析在在汽車的設計階段，運用越來越廣闊。寒冷的環境下汽車的玻璃易結霜，前風擋除霜直接影響駕駛員獲取前方視野，影響車輛的安全性和駕駛性。

某軍車在寒區-35℃低溫下使用時，除霜面積不滿足前方視野要求。為此對此軍車進行寒區的除霜試驗。試驗結果如下表1。試驗結果表明，此軍車除霜性能差，除霜效果無法滿足寒區低溫下的除霜要求。

本文運用STAR-CCM+軟件對此軍車空調進行除霜風道的CFD仿真分析，對除霜風道以及出風口導流板角度等進行結構優化改進，改善出風口的風量分配比例以及前風擋玻璃上的速度分布情況，并通過仿真和試驗驗證了優化結果的有效性，滿足設計的要求。

2 數學模型

對該軍車進行除霜穩態仿真分析。穩態分析模擬的是一個定常、不可壓縮的三維流場，主要通過求解連續方程、動量方程和湍流模型得到結果。

式中，u_i為流體速度在方向上的分量（i=1，2，3）。

動量方程：

湍流模型：本次計算選用k-ε湍流模型，k為湍流動能，ε為湍流動能消散率。

其中，G_k是由于平均速度梯度引起的湍流動能的k產生項;G_b是由于浮力產生的湍流動能;Y_M為可壓縮湍流引起的可變膨脹對全局耗散率的作用，由于文中為不可壓湍流模型，所以Y_M=0;σ_k、σ_ε分別為k和ε的湍流普朗克數，σ_k=1.0，σ_ε=1.3; S_K，S_e為用戶自定義項;ρ為密度;μ為粘性系數;x_i，x_j分別表示x的i向量和J向量;u_i為i向量的氣流速度;C_1ε=1.44;C_2ε=1.92;C_3ε=1.86;μ_t湍流粘性系數^[1]。

3 原方案除霜仿真結果分析

該軍車空調除霜性能的仿真模型包含汽車空調系統的HVAC模型以及儀表板、玻璃，車門等車身內表面的幾何模型。計算模型以及前窗玻璃分區模型如圖1所示：

根據國標，將玻璃上的區域劃分為A，A和B區三個區域，如圖2所示：

本次仿真計算人口設置為質量流量進口。出幾設置為壓力出口，壓力為0Pa：在除霜分析中，風道風量分配、風道內氣流流動的平穩性和氣流的沖擊點都是影響車輛除霜性能的重要參數。通過穩態分析得到該方案前風擋氣流速度分布情況。在Star-CCM+中對除霜風管的四個出風口進行出風量的監測，可以得到除霜風管各個出風口的風量分配比，如表2所：

根據表3中除霜風管出風口的配氣比可以看出，前風擋各個除霜出風口的配氣分配不均勻，駕駛側和副駕駛側出風口風量相差較大，其中，駕駛側兩出風口出風比例少，不滿足設計要求。前風擋玻璃上速度分布仿真結果如圖3和圖4所示。從圖3中可以清楚的看出氣流從出風口流出后的流動方向，高速氣流主要集中在副駕駛側，以及駕駛側的B區，主要分布在玻璃的中間區域，而駕駛側A區處氣流較少，部分區域基本無氣流經過。圖4為前風擋玻璃上近壁速度分布云圖，從圖中可以看出前風擋玻璃駕駛側和副駕駛側的速度都比較小，在玻璃A區和A區域的部分地方基本無氣流流動，同時前窗玻璃上氣流的落風點偏低，落風點集中在玻璃B區下方，影響玻璃上部氣流的風速，降低風管的除霜性能。仿真結果表明除霜風管原方案除霜效果差，與試驗結果一致。

根據仿真結果得到前窗玻璃風速分布不均勻的原因主要為除霜風道本體結構問題和出風口導流板角度的問題。

其中除霜風道本體結構問題為：

（1）出風口風量分配不均，副駕駛側出風量較大，駕駛側出風量較小。

（2）風道內部存在明顯大尺寸和小尺寸渦流。

（3）風管內部分區域基本無氣流經過。

（3）出風口風速不均、風速最大值和最小值差異大。

導流板角度問題為：

（1）前窗氣流沖擊點偏低，前風擋玻璃頂部除霜困難。

3 除霜風管的優化

通過對原方案仿真結果進行分析，對除霜風管原方案進行結構優化，以便改善除霜風管內的氣流狀態.使前風擋玻璃上風速分布合理。在考慮裝配空間以及工程可實施性的基礎上，對除霜風管及導流板作優化改進。

其中除霜風道本體改進措施主要有以下幾點，具體方案如圖5所示。

（1）根據出風口處流線的方向，適當調整各個出風口的位置和面積，起到一定的控制風速及風量分配的作用。

（2）風管中部分區域沒有流線通過，去掉此部分，節約材料成本。

（3）對風管上的凹槽部分進行圓滑處理，避免出現不必要的凹槽。

（4）風管進行圓滑過渡處理，調整風道轉折半徑，最大限度的消除風道內部渦流。

（5）風管內部增加擾流筋條，將目標比例的風量從各出風口導出。

導流板改進措施為：

（1）調整導流板角度，優化導流板邊緣弧度，對出風口風量進行導向。

通過對除霜風管及導流板進行優化，最終的優化方案如圖7所示。

4 優化方案仿真結果分析

方案優化后，通過CFD仿真分析其改善效果。在除霜穩態仿真分析過程中，對新方案的除霜出風口的出風景進行監測，各出風口的風最分配比例如表3所示。從表3中可以看出，出風口的風量分配比得到極大的改善，出風口風量不再集中在副駕駛側，而是在駕駛側和副駕駛側這件比較均衡的分布。

優化改進后，CFD仿真結果如圖8、圖9所示。圖8為優化后的風管內速度流線圖，可以看出出風口的氣流不再集中在副駕駛側，而是相對均勻的覆蓋前風擋玻璃的兩側;同時，風管內渦流減少。圖9為前窗玻璃速度分布云圖，從圖中可以看出，前風擋玻璃駕駛側和副駕駛側速度分布不存在較大差異，速度大于1.5m/s的速度區域基本覆蓋A區、A區，同時前窗玻璃上氣流的落風點得到提高，高速氣流集中在玻璃A區、A區下方，玻璃表而的氣流流動相比優化前得到明顯改善，提高風管的除霜性能。

優化后方案仿真結果：

（1）到達玻璃內表面風速1.5m/s基本全部覆蓋A區、A區。

（2）風量分配合理，達到目標要求。

（3）除霜風道內氣流流動平穩，無明顯渦流。

（4）氣流沖擊點提高，位置合理。5試驗驗證

優化改進后對除霜風管進行樣件試制，并進行實車除霜試驗，試驗結果顯示優化后風管實車測量弱風區域的問題得到顯著改善，除霜性能得到明顯的提高。除霜效果如表4所示，除霜性能得到明顯提高，滿足使用需求。

通過以上過程可以看出，倘若在前期進行類似的CFD仿真分析，那么在汽車研發試制階段前，本文所涉及到的問題則完全可以避免，采用仿真分析方法可以有效的減少試驗次數，快速高效的解決實際中存在的問題，極大的降低了研發成本。

6 結論

本文通過STAR CCM+軟件對某軍車空調的除霜性能進行CFD仿真分析發現原方案除霜風管的配氣比以及玻璃上的速度分布均不滿足設計要求。通過仿真分析明確了改進方向，在原方案的基礎上對除霜風管及其格柵進行了一系列的優化改進措施。通過仿真與試驗相結合的方法有效的解決了車輛除霜性能的問題。

參考文獻：

[1]朱娟娟，蘇秀平，陳江平汽車空調除霜風道結構優化研究[J]汽車工程，2004，26（ 6）;747-749