汽車空調吹腳風道結構改進及對駕駛員舒適度影響分析

溫敏，任平

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

隨著汽車的應用普及和汽車技術的飛速發展，人們對汽車的駕乘體驗要求也越來越高。相應的，汽車制造商從對汽車產品的耐久可靠性和安全性等傳統技術指標的單一追求逐步向駕乘舒適性、智能網聯等新技術指標與傳統指標相結合轉移，本文所述的空調取暖性能已成為舒適度評價的重要指標之一。

本文以某款車型吹腳風道設計為例，利用CFD 軟件和假人模型，對汽車空調吹腳風道的風速、風量，及駕駛員腳部感知的壓力分布進行合理化分析和設計改進。

1 吹腳風道概述

吹腳風道作為空調系統風道重要組成部分，以往行業內設計關注較少，易造成駕乘人員左右腳感知溫度不均、風量分配不合理[1]。在中國北方地區冬季時，車外溫度甚至低至-40℃，易造成腳部區域“凍腳”/“左右腳冰火兩重天”等主觀感受，吹腳風道取暖設計的合理性凸顯得尤為重要。

吹腳的風道布置通常分為不帶后排吹腳/帶后排吹腳兩個方式，如圖1 所示，取決于該車型的平臺定位和成本定位。有多個風道和風口時，截面積按照一定的比例進行分配，不同的汽車廠家有不同的分配標準。

圖1 空調吹腳風道和風口的常見布置

前排吹腳風道因布置空間受限，風道通常是集成在空調主機上，后排則通過一段較長的風道集成在地板上，到達后排乘客腳部區。風道在設計中要注意幾項基本的設計原則，如風道截面避免突變、出風口風速均勻等。

本文研究的車型空調吹腳為帶后排吹腳設置，如圖2 所示，前排后排各兩個出風口，此次考察駕駛員舒適性，對駕駛員側風道進行重點分析研究。因空調主機與前排風口相對距離較近，周邊布局緊湊，故駕駛側吹腳風口布置在駕駛員右腳的右側，集成在副儀表臺上。吹腳風口呈梯形，設計高度70mm，寬度27-49mm 漸變，一段長22.5mm 的格柵段連接空調主機出口和吹腳風口，5 片格柵間距10mm。如圖3 所示。本文從舒適性角度分析駕駛員側取暖風道設計的合理性。

圖2 本車型吹腳風口的布置示意圖

圖3 本車型駕駛員側吹腳風道的設計尺寸圖

2 計算流程

圖4 計算流程圖

計算流程包括設計數模處理、網格劃分、建立CFD 有限元模型、定義邊界參數、求解分析、方案改進再建模分析直至性能達標。

3 CFD 分析

3.1 模型的建立和邊界的定義

本分析所述的設計模型包括空調主機（HVAC）、吹腳風道、封閉乘員艙（95%的模擬假人、座椅、方向盤、儀表臺、副儀表臺、ABC 柱、風窗等）。

在前處理軟件Hyper-mesh 中對以上所述的數模進行網格劃分后進入Star-ccm+軟件中進行分析。諸多理論研究表明，空氣在空調風道里的流動適宜于采用不可壓縮流體的k-ε模型描述。假設整個流體是穩態湍流，不考慮流體重力，忽視分子間的粘性[5]。表1 為模型中的物理特性設置。

表1 模型中的物理特性設置

3.2 分析結果

分析用的假人模型模擬行駛中駕駛員坐姿，左腳放在擱腳踏板上，右腳放在加速踏板上。

經分析，駕駛員側氣流避開了駕駛員腳部，只有左腳有少許氣流流過，氣流吹到了駕駛員左邊的門板上，左右腳流線分布和風速不均衡，主觀感受“凍腳”/“左右腳冰火兩重天”。

圖4 駕駛員左右腳風速云圖和流線圖

4 改進建議與對比分析

圖5 駕駛員側吹腳風道改進尺寸圖

為了讓氣流兼顧左右腳不同的位置，修改原風道內的格柵段設計，圖5 給出了詳細的改進方法。對比圖3 看出，風道開口還是成梯形設計，尺寸和位置不變，將風道內的格柵段由22.5mm 加長至26mm，將原設計的水平格柵調整為上三片13°，下兩片22°，共計5 片格柵，間距10mm。

圖6 改進后駕駛員左右腳風速云圖和流線圖

圖7 駕駛員腳部風速和壓力對比圖

表2 改進前后左右腳平均風速

對改進前后設計進行對比分析，改進后駕駛員左右腳都有氣流直接吹上，且左右腳平均風速增加，主觀感受腳部取暖效果明顯提高。

5 結束語

本文利用CFD 軟件和假人模型，對駕駛員腳部感知的風速壓力和氣流流線分布進行分析，指出原設計的不合理處，并對其結構設計提出改進。通過結果對比，改進后駕駛員左右腳部風速明顯提高，氣流走向更合理，提高了駕駛舒適度，為汽車空調吹腳風道的結構設計提供參考。