某商用汽車空調出風口溫度場模擬及優化

權妮 聶永紅 洪進 張永波

摘 要：汽車空調是保證整車舒適性的重要標志。本文針對某商用車平臺化開發空調項目，采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）的方法，建立了汽車空調分析模型。使用大型CFD軟件STAR CCM+ 對汽車空調內部流場和溫度場進行模擬和分析，在不改變整體模型的基礎上，通過對風門結構和殼體的局部優化，使出風口的速度均勻性明顯改善，降低出風口左右溫差，提高了整車舒適性。

關鍵詞：CFD；汽車空調（HVAC）；溫度場；速度均勻性

中圖分類號：U463.61 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）01-0105-05

Abstract： Automobile air-conditioning is an important device to ensure vehicle comfortability. By using the vehicle air condition duct system was established base on CFD method. The inner air-flow and temperature field of HVAC was simulated and analyzed by CFD software STAR CCM+. The performance of the air condition duct system was improved through optimization the outlet of HVAC housing and flap to increase the air distribution. All these improvements can obtain a reasonable air distribution of air duct and improve the vehicle interior comfortability.

Key Words： CFD； Automobile air conditioning （HVAC）； temperature field； velocity homogeneity

引言

隨著我國經濟的不斷發展，汽車已經成為生活工作中重要組成部分，人們對整車舒適性的要求越來越高，這樣就對空調系統的設計提出了更高的標準和要求[1]。汽車空調系統不僅僅要提供合適的空氣溫度和相對濕度，還要滿足車廂內部溫度及風速分布的要求[2]。CFD（Computational Fluid Dynamics）技術可以模擬汽車空調內部流場和傳熱情況，可以對空調出風口的溫度及速度均勻性做出評價，對駕駛室內部舒適性的研究具有重要的指導意義。

本文依托某商用車平臺化設計汽車空調開發項目，在設計中期試驗驗證過程中發現半模式下吹臉出風口左右溫差相差太大，不滿足內部標準和客戶要求。因其采用零件共用開發策略，外圍條件及風道均采用原有車型的設計不能變更，通過對汽車空調（HVAC） CFD模擬及優化風門結構，使出風口左右兩側溫差滿足標準，速度均勻性明顯提高，并改善了整車舒適性，為后期開發研究提供了可行性方案。

1 CFD建模分析

1.1 空調氣動性能簡介

假設空調內部空氣為不可壓縮流，忽略分子黏性的影響，湍流模型采用Realizable k-?兩方程模型（整個流體是完全湍流）。該模型可較精確地模擬如空調進風口、出風口的擴散速度，并且在帶方向壓強的邊界層計算、分離計算和旋轉流計算等方面具有較高精度[2～4]。流體運動及換熱研究的基本控制方程為[3]：

1.2幾何模型處理

采用通用CAD軟件CATIA建立HVAC幾何模型，提取HVAC內部流體的實體區域，在實體模型中按照內部標準布爾運算減掉葉輪和熱交換器（蒸發器、暖風芯體），并將簡化后的蒸發器及暖風芯子加入到實體中.汽車空調幾何模型及出風口位置如圖1所示：

1.3 邊界條件設置

采用穩態分析方法，入口設置為速度入口，根據入口流量、葉輪尺寸及經驗公式得到入口x、y、z三個方向速度分別為u=4.283 m/s，v=60.542 m/s，w=3.594 m/s，出口設置為壓力出口。由于熱交換器（蒸發器、暖風芯子）是由扁管和波紋散熱帶組成，該結構對空氣的流動過程影響很大，一般在流體計算過程中將其設置為多孔介質，其中慣性阻力特性值和黏性阻力特性值分別由其單體試驗壓降和流速的擬合關系得出（該慣性阻力特性值和黏性阻力特性值的是根據東風馬勒的產品實際測試擬合得出，其他公司產品或存在差異），如圖2所示換熱器阻力特性曲線。不同的域之間通過interface連接并傳遞能量，其他設置為壁面邊界條件。

1.4 網格生成和計算

本例基于RBM（region base mesh）的網格劃分方法，空調的開度和出風口出風比例均由風門控制，為了更準確模擬空調內部結構，風門按照實際裝配情況建立模型，不單獨簡化。模型建立中由于風門軸會穿透殼體，會產生大量pierced faces（default）的錯誤，故結合使用包面方法（surface wrapper）和面網格重構（surface remesh）功能將導入的初始網格處理成質量更好的面網格，面網格的質量直接影響體網格的質量，網格質量的是保證計算精確度的重要指標，體網格選用分別trimmer和prism layer mesher 網格類型。如圖3所示，體網格總數約310萬。

2 汽車空調及風道系統CFD分析及改進設計

2.1 原方案分析結果

在設計初期試驗驗證時發現半模式下吹臉出風口左右溫差16.5℃，遠遠超過內部標準及客戶標準（2℃），因其吹臉風道結構是左右分，將導致司機側和乘客側溫差太大，大大降低整車性能和舒適性。采用CD-adapco公司最先進的連續介質力學數值技術開發的CFD求解軟件STAR CCM+，對汽車空調內速度場和溫度場進行分析，根據殘差、進出口流量及熱平衡監測計算結果，判斷計算結果是否收斂。可得到原方案速度分布、出口溫度、各面的均勻性等設計參數。如表1和圖5所示。

由圖4空調內部流場和吹臉出風口溫度可知，因結構設計原因導致從蒸發器中出來的冷風和暖風出來的熱風均流向了吹臉出風口的右側[5]，且冷風速度高于熱風速度致使吹臉出風口右側溫度明顯高于左側，在整車裝配中將會使司機側和乘客側溫差相差較大。

2.2 優化方案及分析結果

根據原方案的分析結果，綜合考慮整車平臺化設計的理念及零件共用開發的策略，不更改空調在整車的位置及邊界條件，通過優化吹臉風門結構，強制導流使冷熱風混合均勻，使冷熱風在出風口處混合，改善出風口的速度均勻性及溫度分布，縮小司機座和乘客座的溫差，提升整車的舒適性。

1）優化方案

如圖5所示，方案1和方案2在吹臉風門上增加不同大小的導流板，試圖通過導流板將熱風強制導向初戀風口左側，方案3將導流板改成格柵狀，模擬數據如表2和圖6所示：

由上述分析結果可知，因出風口設計及風門擋板影響，方案1-3并沒有使左右兩側風混合均勻，兩側溫差及均勻性均不滿足客戶要求。

2）最終方案

通過方案1～3的分析結果，綜合考慮模具制造的難易程度及加工成本，在吹臉風門上增加導流。根據實際流體在HVAC內的走向，經過對導流管的開口大小、導流管布置的多次模擬分析，最終方案如圖7所示：

分析結果如圖8和表3所示，通過在吹臉風門上增加導流管，強制將暖風出來的熱風導向吹臉出風口的左側，使冷熱風在出風口處混合，左右溫差由設計初期的16.5℃減少到1.2℃，滿足客戶及內部2℃溫差的標準，吹臉出風口的均勻性也有原來的50%增加到82%。

3）試驗驗證

如圖9所示空調性能驗證試驗由空調總成、風量臺、模擬風道、控制臺架及溫度傳感器等組成。為了準確驗證出風口溫度，在出風口四周中心位置按照標準分別布置傳感器，最終的出風口溫度為四點采樣值的平均值。試驗結果如圖10所示，CFD分析結果與試驗結果基本接近，因模擬中計算誤差及試驗環境溫度濕度、樣件制作裝配過程產生誤差等原因，故CFD分析結果和試驗結果存在少許偏差，但分析精度已達到公司標準95%的要求，并已得到客戶認可。

3 結論

本文采用計算流體力學方法對汽車空調進行了流場和溫度場模擬和優化，在不改變空調殼體邊界的基礎上，在吹臉風門出風口上增加導流管及空調殼體局部優化，降低半模式下吹臉出風口左右溫差，提高出風口速度均勻性，對駕駛室內部舒適性的研究具有重要的指導意義，同時對于項目開發后期試驗驗證出現問題，在不影響整體模具的基礎上，可以在小的零件上增加引風管，或者擋板來解決實際中風量分配、均勻性、噪音等問題，為項目開發研究節省費用和時間，為后期的研究提供了可行性方案和思路。

參考文獻：

[1]權妮，聶永紅等.基于STAR-CCM+汽車空調風道系統優化分析[J].汽車空調，2017，1（125）：32～38.

[2]Z Gu，H Shen，Z Yang等. Improvement of vehicle air-conditioning duct and analysis of its impact on occupant thermal comfort，《Journal of Chongqing University》 ， 2013 ， 36 （8）：91-96+104.

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

[4]周建，閻維平等.SCR反應器入口段流場均勻性的數值模擬研究[J].熱力發電，2009，38（4）：22～25.

[5]聶永紅.D310空調熱平衡及回熱問題的原因分析及改進[J].裝備維修技術，2009，3（133）：21～26.