基于CFD分析與實車測試結果相結合的汽車空調風道設計

蒙楊超 俞曉勇 羅穎

【摘 要】汽車空調風道是整車空調系統的組成部件之一，其送風性能的好壞直接影響乘客駕車的舒適性。為了提高風道送風性能，文章從影響風道系統的設計要素分析空調風道設計的具體要求和方法，并基于某車型空調風道設計結構的CFD模擬仿真分析結果及實車測試結果優化前后的流場特性結合驗證，結果表明正確計算風道截面積及風向線，有助于降低空調風道空氣阻力，提高風道送風性能，該方法對今后汽車空調風道系統設計具有一定的參考價值。

【關鍵詞】汽車空調;空調風道;CFD仿真分析;實車驗證

【中圖分類號】U463.851 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）02-0052-04

汽車空調風道是空調系統中不可或缺的部件之一，其目的在于創造車內舒適的溫度環境，維持駕駛員和乘客的體表溫度，改善駕駛員的駕車條件，有助于提高汽車的安全性能。風道送風性能的好壞直接影響車內的溫度場和速度場的均勻性，從而影響該車的舒適性能。因此，空調風道設計的合理性，將是未來評估車內熱舒適性的一個重要指標。

1 空調風道設計要求

在汽車風道系統設計過程中，儀表臺風道承擔著輸送冷暖風、新風到指定位置的功能，同時確保氣流噪聲在可接受范圍內，達到既滿足乘員熱舒適要求，又滿足強制法規要求，同時盡可能地做到結構簡單，制造方便，并與車內周邊部件相協調。風道系統設計時，主要考慮如下兩個因素。

（1）整體布置：與周邊零件保持安全距離不干涉，保證風道走向平順。

（2）結構設計：{1}保證截面變化均勻，確保通過每個截面的氣流速度均勻不發生突變，減少回流、擾流，消除送風異音，改善氣流噪聲;{2}保證安裝點、卡接點結構設計合理，便于注塑或吹塑工藝的實現;{3}導風段尺寸和指向滿足使用要求，確保氣流速度和指向角度符合設計指標。

1.1 風道風向線（出風方向）的設計要求[1]

風向線大致可分為兩類：除霜風向線（吹前擋風玻璃、主副駕側玻璃）、吹面風向線（吹到前后排乘客臉部附近）

1.1.1 除霜風向線

確定風向線之前需要先確定視野區：主視野區是主駕駛側的人視線不被物體阻擋，坐在主駕位置上，通過前擋風玻璃能清晰地看到車前物體的玻璃區域;側視野區是以主駕駛側人坐在主駕位置上，通過側窗玻璃看到左、右后視鏡的玻璃區域。

眼橢球及主視野區（A、B區）的確定可以參考國標GB 11555—2009，如圖1、圖2所示。

主副駕側玻璃視野區劃定方法：通過人體眼球點及后視鏡面積來確定兩側玻璃的視野區（如圖3所示）。

視野區劃定后，接下來繪制前擋風玻璃（前除霜風管）風向線：以A、A區底線連線中點拉一條平行于XZ平面且與玻璃面成30°的線，此線為前除霜風道出風方向導線，風向線劃定的正確性將決定除霜效果的好與壞（如圖4所示）。

兩側除霜風道風向線通過視野區域面積的1/3處位置往X向拉一條與側玻璃成30°的線即為風向線（沖擊線）（如圖5粗線所示）。

由于除霜風窗是固定葉片，因此設計階段需要嚴格按照要求進行，吹面風向主要由風窗葉片角度和尺寸來控制，吹面風道風向線初始沖擊位置要考慮吹到人體肩膀處為最佳（如圖6所示）。

風向線設計是決定整個風道系統精準送風到指定位置的關鍵設計要素，因此設計風道出口朝向時要嚴格按照既定的設計要求去執行。確定完風向線后，接下來需要計算風道截面積大小，截面積大小是直接影響風量、風速、風阻的因素，也是本論文對比分析的重點之一。

1.2 截面積計算

1.2.1 風窗有效面積

不同類型的風窗其機構不同，風道內有效面積的計算方法也不同，桶型風窗有效面積≈0.45×出風口外輪廓垂直投影面積，雙葉片型出風口有效面積≈0.6×出風口外輪廓垂直投影面積，由于桶狀式出風窗已經很少使用，本文只針對葉片型風窗進行研究[2]。桶式風窗和雙葉片型風窗如圖7所示。

出風口的有效截面積即風管內壁截面積，因此只要得出風管內部截面積，就能通過公式推導出風窗的截面積（含葉片），有助于風窗結構設計。

1.2.2 風道截面積

S=CFM×1 000 000/V×3 600）（1）

公式（1）中：S為風道截面積，mm2;CFM為風量，m3/h;V為風速，m/s（風速范圍：一般取6～9 m/s，計算時可取經驗值7.3 m/s）。

從公式可以看出，風速一定，風量根據各個口理論分配值確定后，通過公式即可得出風道內壁截面積，截面積大小同時也反作用于風速大小，只有設計合理的截面積，才能得到適合出口大小的風速，才能達到吹風舒服的效果。

1.2.3 影響風量、風速的因素

本文研究的重點是風道截面積大小及風道風向線對風量、風速的直接影響，截面積越小風阻越大，風量就越小，但風速反之增大;風道結構平順、少折彎有利于減小風阻[3]。

風道內的壓力損失可分為沿程壓力損失和局部壓力損失。

（1）沿程壓力損失是空氣沿管壁流動時，由空氣與管壁之間的摩擦及空氣分子內部之間的摩擦而產生的?？諝庠诮孛娌蛔兊娘L道中流動且空氣量保持不變，沿程壓力損失可按公式（2）計算：

△P=λ（V2ρL）/（8RS）（2）

公式（2）中：λ為摩擦阻力系數，λ=64/Re;Re為雷諾系數，其值≤2 300;V為風道內空氣的平均流速，m/s;ρ為空氣的體積質量，kg/m3;L為風道的長度，m;Rs為風道的水力半徑，Rs=A/P，m;A為風道的過流截面面積，m2;P為風道的周長，m。

（2）局部壓力損失。由于氣流在風道中的突變，如風量、吹風方向或速度等突然變化，從而使得氣流在風道內發生渦流或速度的重新分布，大大增加了風動阻力，由此造成的能量損失，稱為局部壓力損失。

△Pj可根據公式（3）來計算：

△Pj=ζρV2/2（3）

公式（3）中：ζ為局部阻力系數（取值根據風道截面氣流速度查閱相關的工程手冊）。

只有減少以上壓力損失，并控制在15%以內，才能達到較好的送風效果，主要從以下3個方面考慮：{1}風道截面積不要產生突變，突變容易產生渦流。{2}盡量減少彎道，空氣流過彎道時，氣流會因為風向突變而脫離管壁表面，使局部產生真空現象，氣流在局部區域產生回旋，易產生噪音。{3}風道出風口截面積要合理，風口減小，有利于提高風速，有助于乘客吹風感受的改善。

2 結構設計及仿真分析

（1）設計風道主要考慮截面積大小與風向線方向，綜合以上原則，布置吹面風道如圖8所示。我們保證各出風口截面積接近，風向線滿足計算要求，設定4個風口按100%風量均分，每個風口分到25%的風量進行第一次CFD分析（如圖9所示），結果見表1。

第一版CFD模擬分析結果中可以看出右側分配到的風量較多，不滿足目標要求，因此需按比例調整右側風道截面積減小，修改部位如圖10所示，并進行第二輪CFD模擬分析，結果見表2。

第二版分析結果在誤差范圍內基本滿足目標要求，理論分析已完成，接下來為了驗證結果的準確性，需制作出樣件（如圖11所示），并在實車裝配完成后進行測試，測試結果見表3。

對比實車測試結果后可以看出，實車結果在誤差范圍內與CFD模擬分析結果相差不大，基本滿足要求。

小結：截面積大小對風量分配起著至關重要的作用，理論分析需結合CFD分析與實車測試結果進行驗證確認，只有三者符合要求，才能算成功完成設計風道。

（2）接下來分析除霜風道，在空調箱能力確定的情況下，除霜風道對除去前擋風玻璃的水汽和冰起著決定性作用，因此設計時要特別注意風向線嚴格滿足要求。

根據之前設計要求布置好除霜風道結構，并進行第一版CFD模擬分析。

從圖12至圖16可以看出：由于吹風風向線過低，沖擊點位置偏低，所以除霜效果在1.5 m/s下無法滿足視野區的除霜要求，需進行調整。

更改前除霜風道與左右除霜風道出口結構，調整風向線方向，如圖17至圖19所示，并進行第二版CFD模擬分析。

從CFD模擬分析結果可以看出，優化風道沖擊線和沖擊點后，除霜效果得到較大提升，其中視野區90%以上被除干凈，因此風道風向線的方向很大程度上決定了除霜結果的好與壞。

接下來結合實車對比除霜結果（如圖20所示）。

實車除霜結果與CFD模擬分析結果大致相同，驗證了理論設計結合實際的重要性。

3 結論

（1）風道系統設計時，應盡量避免風道彎折、截面積大小不均等因素，減少風阻，合理布置結構。

（2）嚴格按照理論分析進行前期設計，在CFD模擬分析階段需反復調整至要求狀態，最后與實際相結合，只有這樣，才能更加有效地檢驗風道風向線及風量分配，以及除霜效果是否合理。

（3）風道作為空調系統中氣流最后一道輸送路徑，對空調系統性能能否發揮到最好起到關鍵作用。

參 考 文 獻

[1]蘭柯.基于CFD的汽車空調風道設計及其對除霜效率的影響分析[D].沈陽：東北大學，2012.

[2]周滋鋒.汽車空調出風口校核設計指導手冊[M].北京：中國輕工業出版社，2007.

[3]賀賽.汽車空調風道的優化設計[J].汽車工程師，2012（10）.