某空調(diào)機組CFD分析與研究

蘇健 張克鵬

浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 浙江杭州 310020

1 前言

近年來，隨著國家對車輛環(huán)保的要求和消費者對空調(diào)舒適性要求的日益提高，空調(diào)在整個商用車開發(fā)設(shè)計過程中顯得越來越重要。純電動商用車輛由于受到續(xù)航限制，對能耗要求較為苛刻，而空調(diào)作為純電動商用車的主要能耗系統(tǒng)，高效節(jié)能的空調(diào)是純電動商用車開發(fā)過程中必須考慮的?？照{(diào)機組作為空調(diào)的重要組成部分，其空氣側(cè)氣流分布均勻性是影響性能的重要因素之一[1-4]。

CFD(computational fluent dynamics)仿真技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應用得到越來越多的認可。它是伴隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，利用計算機求解流體的各種守恒控制偏微分方程組的技術(shù)。本文以某純電動商用車空調(diào)機組為研究對象，運用計算流體力學技術(shù)，基于商用CFD軟件ANSYS Fluent軟件的有限容積法模擬空調(diào)機組的流動狀況，進行仿真分析，觀察空調(diào)機組內(nèi)流場分布及換熱器表面速度等信息，為空調(diào)系統(tǒng)性能提升提供理論依據(jù)。

2 流體力學方程

計算流體力學是把描述空氣運動的連續(xù)介質(zhì)數(shù)學模型離散成大型代數(shù)方程組，并在計算機上求解。通過微分方程的離散化和代數(shù)化，把偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，再通過適當?shù)臄?shù)值計算方法求解方程組，得到流場的數(shù)值解，然后通過不同的擬合方法把節(jié)點解擬合到網(wǎng)格的對應區(qū)域。

流體流動時所有介質(zhì)滿足物理守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。在流體流動處于湍流狀態(tài)時，整個體系還要遵循湍流運輸方程。以上這些守恒定律的數(shù)學描述，統(tǒng)稱為控制方程。文中選用CFD軟件中提供的Realizable k-ε湍流模型進行數(shù)值計算[5-7]。

湍流控制方程為三維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程：

（1）質(zhì)量守恒方程：

（2）動量方程：

（3）能量方程:

其中div為矢量符號，div(a)=?ax/?x+?ay/?y+?az/?z，grad為梯度符號。

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u為速度矢量，m/s；u、v、w是速度矢量u在x、y、z方向的分量；x、y、z為流體流動方向；p為流體微元體上的壓力，N；τ為粘性應力，Pa；Fx、Fy、Fz為x、y、z三個方向上微元體體力，N；T為溫度，K；k為流體換熱系數(shù)，W/(m2·K)；cp為流體比熱容，J/(kg·K)；ST為流體內(nèi)熱源和由粘性作用引起流體機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，J[8-9]。

3 模型建立及邊界條件

3.1 三維模型建立

計算模型為某純電動商用車空調(diào)機組，采用SolidWorks建立其三維模型，如圖1所示。幾何模型生成后，為了建立有限元模型，需要將空調(diào)機組模型從SolidWorks中導出為.stp格式。

圖1 空調(diào)機組3D模型

3.2 網(wǎng)格模型建立

針對該空調(diào)機組，文章采用ANSYS仿真平臺CFD專業(yè)前處理軟件ICEM CFD進行幾何清理和網(wǎng)格劃分，面網(wǎng)格全部采用三角形網(wǎng)格，為獲得空調(diào)機組計算域入口處更好的計算收斂性，在其入口邊界進行外部拉伸，拉伸長度為入口直徑的3倍?？照{(diào)機組流體計算域模型及機組網(wǎng)格模型分別如圖2、3所示，最終形成非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格6 145 895。

圖2 空調(diào)機組流體計算域

圖3 空調(diào)機組網(wǎng)格模型

圖4為空調(diào)機組模型網(wǎng)格檢查情況，其中橫坐標為網(wǎng)格質(zhì)量，1代表最好，0代表最差，縱坐標為網(wǎng)格數(shù)量。從圖中可以看出，空調(diào)機組模型網(wǎng)格質(zhì)量都在0.35以上，網(wǎng)格質(zhì)量較好，滿足計算要求。

圖4 空調(diào)機組模型網(wǎng)格質(zhì)量

3.3 邊界條件的設(shè)定

由于純電動車輛一般工作環(huán)境在-20℃～40℃，空氣的物理參數(shù)隨溫度變化不大，因此對該空調(diào)機組內(nèi)部流動情況的研究僅考慮流場內(nèi)空氣的流動特性，對溫度場的變化情況暫做忽略，計算流動工質(zhì)為空氣，空氣密度ρ=1.18 kg/m3。具體設(shè)置如下：

a.總體設(shè)置：流體為空氣，不考慮能量轉(zhuǎn)化，僅作流場分析。計算軟件為大型CFD商用軟件ANSYS Fluent，采用穩(wěn)態(tài)計算，湍流模型選擇Realizable kε模型，進出口邊界條件選擇流量進口、壓力出口風扇fan邊界條件，換熱器采用多孔介質(zhì)模型，風扇用二維模型。壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，離散格式采用二階迎風格式。

b.進口邊界條件湍流定義方法為湍流強度+水力直徑，流量進口設(shè)置為V=6 500 m3/h，湍流強度為5%，水力直徑為0.221 m。出口邊界條件湍流定義方法也為湍流強度+水力直徑，出口壓力為P=140 Pa，湍流強度為5%，水力直徑為0.354 m。

c.換熱器作為多孔介質(zhì)模型，需要通過換熱器的流速和壓降關(guān)系計算多孔介質(zhì)模型的慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)。在CFD軟件中，多孔介質(zhì)的壓降公式表示為：

式中， D p為流體經(jīng)過多孔介質(zhì)后的壓降，Pa；Pi為多孔質(zhì)的慣性阻力系數(shù)， kg/m3；v為流體經(jīng)過多孔介質(zhì)的等效速度，m/s；Pv為多孔介質(zhì)的粘性阻力系數(shù)，kg/m2·s；L為多孔介質(zhì)軸向長度，m，表1為換熱器風量-壓力損失試驗結(jié)果。根據(jù)表1得到圖5所示的曲線，并擬合多項式。根據(jù)二次多項式前的系數(shù)和相關(guān)公式計算出多孔介質(zhì)模型的粘性阻力系數(shù)14.364 kg/m2·s，慣性阻力系數(shù)為0.448 kg/m3。

表1 換熱器風量-壓力損失試驗結(jié)果

4 計算結(jié)果分析

4.1 仿真計算結(jié)果

圖6為機組內(nèi)部氣流的流線圖。從機組內(nèi)部的空氣流線圖中可以看出，機組內(nèi)部流線不存在間斷的現(xiàn)象，說明機組內(nèi)部空氣流動比較順暢，不存在速度死區(qū)。

圖5 換熱器風速-壓損曲線

圖6 機組內(nèi)部空氣流線圖 v/(m/s)

圖7、8分別為機組Z=-0.6 m截面速度矢量圖和Z=-0.6 m截面速度等值云圖。

圖7 空調(diào)機組在Z=-0.6 m截面速度矢量圖 v/(m/s)

圖8 空調(diào)機組在Z=-0.6 m截面速度等值云圖v/(m/s)

從圖中可以看出，在換熱器左、右兩個邊角區(qū)域存在低速區(qū)，速度約為0.98～1.98 m/s；在左邊換熱器左下側(cè)和右邊換熱器右下側(cè)區(qū)域由于存在擋板，氣流在該區(qū)域會行成回流，回流與機組頂部進風相遇導致風速抵消會在換熱器上方區(qū)域形成低速區(qū)。

圖9為換熱器表面速度分布云圖，從圖中可以看出，換熱器進口表面速度分布并不均勻，上側(cè)部分速度較高，下側(cè)部分速度較低。

圖9 換熱器表面速度分布云圖v/(m/s)

圖10、11分別為空調(diào)機組在Z=-0.6 m截面位置處的壓力等值云圖和換熱器表面壓力分布云圖。

圖10 空調(diào)機組在Z=-0.6 m截面壓力等值云圖 v/(m/s)

圖11 換熱器表面壓力分布云圖v/(m/s)

從圖10可以看出，空調(diào)機組內(nèi)壓力分布與速度分布相互對應，換熱器左、右兩個邊角區(qū)域壓力較大，存在一定的氣流緩速區(qū)；從圖11也可以看出換熱器進口表面壓力分布不均勻，與速度分布相對應，即在速度高的區(qū)域壓力低，速度低的區(qū)域壓力較高。

4.2 仿真計算與試驗結(jié)果對比

在帶有環(huán)境的風洞中進行該空調(diào)機組環(huán)境試驗。表2為換熱器仿真與試驗結(jié)果對比。

從表2可以看出，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果，誤差都在6%以內(nèi)，滿足工程分析精度需求，因此可以利用CFD仿真結(jié)果對后續(xù)設(shè)計優(yōu)化提供方案優(yōu)化選型等技術(shù)支持。

表2 空調(diào)機組換熱器仿真與試驗對比

5 結(jié)語

a.利用CFD仿真技術(shù)對某純電動商用車空調(diào)機組進行分析，并將換熱器表面速度與壓差計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，證明CFD仿真分析的工程精度可行性；

b.通過額定風量工況下的空調(diào)機組進行CFD分析，找出氣流對空調(diào)機組性能影響位置，在后續(xù)空調(diào)機組設(shè)計過程中需要考慮優(yōu)化；

c.在下一步車輛空調(diào)機組開發(fā)中，建議在設(shè)計方案定型前，進行各工況充分的仿真分析驗證，有效提升空調(diào)機組性能，降低車輛能耗，提高其續(xù)航里程的同時，有效提高產(chǎn)品競爭力。