基于CFD的汽車空調除霜性能分析及優化

王凱晨，王淑坤

(長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022 )

隨著人們生活水平的提高，在購買汽車時都有了更多的選擇，為了讓更多的消費者選擇自己滿意的產品，各大汽車企業都在不斷的提高自身產品的競爭力.而在冬季冰雪交加的東北地區，擋風玻璃易結霜的問題始終困擾著人們，這些厚度達到0.5～1 mm的霜層會將汽車前擋風玻璃的視野全部擋住，使駕駛員觀察不到前方的情況，導致無法正常的駕駛車輛，嚴重時更會導致交通事故的發生.因此，關系到汽車的舒適性與安全性的除霜系統的能力便成為了消費者衡量車輛性能的一個重要指標[1].

在傳統的設計方法中，通常基于以往的設計經驗進行結構設計，之后制造實物模型進行環境模擬實驗，這樣實驗測試出的結果可信性高.但是依賴經驗進行的設計無法保證一次成型，往往需要多次實驗，這就會導致實驗的周期變得很長，而且會耗費大量的資金，有時還會受到實驗設備、實驗環境的影響.而CFD技術的應用彌補了傳統方法的不足，將計算流體力學數值模擬技術與除霜風道的開發設計進行結合，運用計算機軟件技術模擬氣流在除霜系統運行時的流動狀態，通過數值分析的方法得到車廂內部溫度場、速度場的分布，模擬霜層瞬態變化情況，從中發現影響除霜效果的各個因素并進行優化.由于運用CFD技術進行設計，幾乎所有的實驗都在計算機中完成，這樣會節省大量的時間和金錢，因此許多汽車公司和相關機構的學者在此方面都大量的投入人力物力.

本文采用CFD方法，建立空調風道模型，對穩態性能進行分析，以此為基礎指導相關的優化，達到提高空調除霜性能的目的.

1 空調除霜風道CFD計算數學模型

空調風道的CFD計算過程中主要關注風道內部冷流場信息，計算過程中不考慮空氣壓縮性，其控制方程及湍流模型如下[2]：

質量守恒方程：

(1)

x、y和z三個方向的動量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

標準k-ε模型是典型的兩方程湍流模型，該模型是目前使用最廣泛的湍流模型.在標準k-ε模型中，湍動能k和湍動能耗散率ε為兩個基本未知量，與之相對應的輸運方程為：

(5)

(6)

湍動粘度μt可表示成k和ε的函數，即：

(7)

方程中的五個經驗常數分別為：Cμ=0.09，σk=1.00，σε=1.30，Cε1=1.44，Cε2=1.92.

2 汽車除霜系統仿真模型的建立

2.1 汽車除霜系統模型建立

汽車除霜系統主要由暖通空調系統與除霜風道兩部分組成，由暖通空調系統產生暖風，之后由除霜風道將暖風導流并噴射向車窗.

暖通空調系統，簡稱HVAC(Heating，Ventilation and Air Conditioning)，幾何模型如圖1所示.暖通空調吸入新鮮空氣并將其送進熱交換機中，與熱源進行熱交換獲得熱量，使空氣的溫度提高，之后將加熱后的空氣送入空調風道中[3,4].

除霜風道則是連接HVAC與車廂內部的通道，幾何模型如圖2所示.

圖1 暖通空調系統模型

在除霜風道的各部分中，主除霜風道與兩側除霜風道組成導流結構，引導并分流暖風到達各個出風口，之后由出風口的結構決定暖風射流的前進方向[5].除霜風道的結構會影響到各出風口的風量分配比例以及從進入除霜風道到由出風口射出這個過程中壓力的損失情況.本次實驗選用的除霜風道結構來自某公司的某款車型，這款車型的除霜系統效果未能達標，需要進行改進.

圖2 除霜風道模型

2.2 導入模型與網格劃分

首先導入HVAC模型，并將暖通空調的暖風排出口設定為入口，如圖1所示.之后導入除霜風道部分模型，并將其入風口與暖通空調暖風排出口組合.最后導入汽車車廂模型，如圖3所示.所導入的汽車車廂模型與完整汽車相比，去掉了車頭、車尾等部分，只保留車廂內部的結構.由于車廂內部空間結構會對流體流動情況產生影響，所以在車廂內部的座椅、中控、方向盤、后視鏡等結構都表現在模型中，保證車廂內部細節與實車相同.另外設置車廂后部后備箱隔板為出口.

圖3 汽車車廂模型

之后應用STAR-CCM+進行網格劃分，采用多面體網格生成器，最后生成網格如圖4所示，共有網格7 752 242個.

圖4 模型生成網格

2.3 邊界條件設置

物理模型使用K-Epsilon湍流模型，設定空氣為不可壓縮氣體，其動力粘度1.855 08e-5Pa-s，密度1.184 15 kg/m3.同時設定入口邊界條件為質量流量進口，質量流率為0.108 5 kg/s，出口邊界條件為壓力出口，設定其它邊界為壁面邊界.

2.4 除霜系統設計要求

除霜風道是空調機與車廂內部溝通的通道，熱氣通過除霜風道噴射到擋風玻璃內側表面，將熱量傳導到擋風玻璃上融化擋風玻璃外表面的霜層，同時也能防止擋風玻璃內表面發生結霧現象.除霜系統的除霜效率能否達標，關鍵點在于除霜風道和出風口的結構能否使發射出的噴射氣流到達合適的位置和方向.同時除霜系統產生的氣流必須有足夠的動量和速度，保證氣流能夠遍布整個前擋風玻璃和側玻璃的內表面.在本次實驗中對設計方案提出的要求是：前風窗A區、B區范圍內玻璃內表面附近風速大于2 m/s，A區風速大于

2 m/s區域應大于A′區風速大于2 m/s區域；C區、C`區風速應大于1.5 m/s[6].

3 除霜仿真模擬

對方案進行CFD分析，得到各出風口風量分配見表1，前擋風玻璃風速分布見圖5，左、右車窗風速分布見圖7.

表1 各出風口風量分配

圖6 左、右側窗玻璃風速分布(僅顯示≥1 m/s區域)

綜合圖、表進行分析可以發現，雖然除霜系統在前擋風玻璃表面的風速分布完全符合設計要求，但中央左、右風道所占出風比例過大，使得左、右側除霜風道風量幾乎沒有.這就導致左、右側窗表面風速過低，沒有任何一個位置的風速超過2 m/s，與設計要求相差甚遠.而且左、右側車窗表面氣流中心區域都在需要重點除霜的C、C′區域下方，說明左、右側除霜風道出風口射出的射流方向產生了問題.

上述分析顯示，現有的除霜風道不符合設計要求，除霜風道結構如圖7所示，綜合參考文獻[7-11]和行業經驗，對除霜系統提出如下優化策略：

(1) 計劃修改兩側除霜風道結構，加大側除霜風道末端橫截面面積并調整側除霜風道出風口葉片角度，旨在對兩側玻璃表面風速分布進行優化.

(2) 計劃對主除霜風道導流結構進行優化，加大中央左側風道出風比例，旨在平衡主除霜風道左右出風口的出風比例.

優化后的除霜風道結構如圖8所示.

圖7 整體風道結構

圖8 優化后整體風道結構

對優化后的除霜風道結構進行分析，得到各出風口風量分配見表2，前擋風玻璃風速分布見圖9，左、右車窗風速分布見圖10.

表2 優化后各出風口風量分配

通過分析可以發現，在進行優化之后，在前擋風玻璃上，A區、A`區整體風速在2.8 m/s以上，B區大部分區域風速在2.8 m/s以上，平均風速達到設計要求.左、右側窗玻璃上的氣流中心區域都在觀察后視鏡視野區域之內.左側窗玻璃表面有很大一部分區域風速達到2.2 m/s以上，氣流中心區域面積達到車窗大半部分，并且風速達到3 m/s，氣流中心區域完全覆蓋了觀察后視鏡視野范圍；右側窗玻璃表面同樣有很大一部分區域風速達到2.2 m/s以上，氣流中心區域面積達到車窗大半部分，并且風速達到3 m/s，同樣氣流中心區域完全覆蓋了觀察后視鏡視野范圍.總體來說，在優化之后除霜風道已經能夠達到設計要求.

圖9 優化后前擋風玻璃風速分布(僅顯示≥1 m/s區域)

圖10 優化后左、右側窗玻璃風速分布(僅顯示≥1 m/s區域)

4 結 論

本文通過CFD系列軟件之一STAR-CCM+，建立汽車空調除霜風道模型并對其進行數值模擬分析，將汽車空調除霜風道結構與經過數值分析得出的擋風玻璃表面速度分布云圖相對應，綜合兩方面進行分析，最終得出最優的結構和理想的風量分配比例，并得出如下結論.

(1)當側除霜風道所獲風量分配比例過低時，擴大側除霜風道截面可以使更多風量導流向側除霜風道.

(2)主除霜風道中央導流結構對中央左、右風道截面積的分配會影響到中央左、右風道的風量分配.

(3)側除霜風道射出的射流是否能準確抵達側窗最需要除霜的區域，重點在于側除霜風道出風口處的葉片是否調整到正確的角度.

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