基于STAR-CCM+的汽車空調風管設計及優化研究

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

汽車空調作為汽車內部不可缺少的系統之一已經越來越受到各大整車企業的重視，汽車空調的性能好壞主要取決于空調系統本身的匹配，但是如果空調本體的HVAC 和空調風管設計不合格，從某種程度上也會制約空調性能的充分發揮。反之，一旦空調風管設計滿足設計規范要求，那么空調系統的舒適度將會得到極大的提升和改善。計算流體力學（CFD）的相關仿真計算原理在汽車上已經得到了廣泛的應用，它可以部分取代物理試驗，在計算機上模擬試驗過程，極大地減少試驗次數，節約試驗經費[1]。

本文應用三維流體軟件STAR-CCM+，分析空調系統吹面模式下，乘員艙4 個出風口的配氣比，找出配氣比不均勻的原因，并對空調風管進行了優化改進，最后通過3D 打印生成優化后的風管模型進行試驗，通過試驗驗證了仿真的精度和優化后的效果，達到了空調風管的設計要求。

1 空調風管模型

圖1 所示為空調風管的完整物理模型，為了計算的準確性，對于空調風管的主要特征結構都給予了保留。空調風管總成是由HVAC 和4 個風管組成，HVAC 里包含空氣濾清器、蒸發器等濾芯，4 個風管分別對應乘員艙內部左側風管，中間兩個風管和右側風管，計算結果證明，這樣的風管模型對于計算精度提升很大。

圖1 空調風管模型

2 數學計算模型

2.1 數學模型

本次計算是基于流體力學的控制方程解析，因此需要數值求解關于流體的三類方程，分別是質量守恒方程，動量守恒方程和能量守恒方程，針對空調風管的計算分析可以對仿真模型做如下假設[2]：

1）流場中的空氣為不可壓縮氣體，即空氣密度為常數；

2）流場中的湍流形式為雷諾平均湍流；

3）不考慮空氣重力的影響；

4）HVAC 入口為均勻的流量入口，出口為壓力出口。

根據數值計算方法在空調風管流場中的特點，湍流模型采用k-ε 三維湍流中的二方程模型，把質量、動量和能量守恒方程、k 方程、ε 方程表示成通式為

式中：φ 為通用變量，Γ 和S 是與φ 相對應的廣義擴散系統及廣義源項，ν 為速度矢量，ρ 為空氣密度。當φ 取不同的物理量時，式（1）中對應不同的控制方程，其對應關系如表1 所示。

表1 φ 的取值與對應的值

表1 中：u、v、w 為x、y、z 三個方向上的速度，T為溫度，k 為湍流動能，ε 為湍流動能耗散率，μ 為粘性系數，μt為湍流粘性系數，G 為湍流應力，Cμ、C1、C2、Γk、σε、σT、σk均為常數，Z 為z 方向坐標，Pr為普朗特數，Su、Sv、Sw分別為x、y、z 三個方向上的源項。μt和G 分別滿足以下關系式

各常數取值如下：Cμ=0.09，σT=0.95，σk=1.0，C1=1.44，C2=1.92，σε=1.3，g 為重力加速度，所有的外面：u=v=w=0。

空調風管計算域采用多面體網格，總網格數56×104。

2.2 邊界條件

由于本次計算分析考察的是定常流動，因此設定空調系統HVAC 進口風量為500 kg/h，出風口設定背壓為0。

3 空調風管優化分析

3.1 初始空調風管計算

為了滿足計算的最高精度以及之后優化的最好效果，本文采用的模型為包含HVAC 和出風口格柵的模型[3]，如圖2～4 所示。

圖2 空調風管模型1

圖3 空調風管模型2

圖4 空調風管模型3

在空調風管的設計、優化中，最為重要的指標是吹面風管4 個出風口的風量比例，通常叫做配氣比，滿足4 個出風口的配氣比25%±5%，那么這樣的空調風管設計認為是合格的。對空調風管模型3 進行計算，計算出4 個出風口的配氣比為36.2%、23.8%、19.5%、20.5%。顯然，此出風口的配氣比不能滿足設計要求，需要對風管模型進行優化。

3.2 空調風管優化方案

得出初始模型的計算結果之后，對空調風管的各個部分進行優化，優化的主要對象為風管的造型結構，由于風管的安裝位置在儀表板以下前圍之后，因此它的結構受到諸多條件的約束，能優化的部分不多，本輪優化從中選取幾處展開，如圖5 所示。

圖5 空調風管優化

3.3 空調風管優化對比分析

通過上述幾處風管的優化，組合出3 組優化風管模型，加上初始風管共4 組模型，分別編號為case1、case2、case3 和case4，對這4 組方案分別計算分析。

給定HVAC 進風口空氣流量為500kg/h，分別計算出這4 種方案4 個出風口的配氣比，并對照配氣比設計要求進行分析，如圖6 所示。

圖6 不同模型配氣比分析

從計算結果來看，case4 的配氣比滿足了25%±5%的指標要求，它是幾組模型中最優的一個方案。

4 優化風管試驗對比分析

通過上述的計算分析，得出case4 滿足了配氣比的技術指標，但這僅僅是計算分析的結果，還需要在試驗中給予驗證，因此對于case4 的風管制作了快速原型件，通過風道測試試驗臺對空調風管4 個出風口的風量進行測試，測試結果如表2 所示。

表2 計算和試驗結果對比 %

從表中可以看出，計算分析的結果與試驗結果誤差在7%左右，計算分析結果可以用于空調風管的設計和優化。

5 結論

本文利用計算流體力學基本理論，借助三維流體仿真軟件STAR-CCM+，完成了汽車空調風管的優化設計，并通過制作模型樣件，進行臺架試驗驗證了計算仿真的精度，證實了本仿真模型完全可以用于空調風管的設計和優化。