基于CFD的某車型頂蒸出風均勻性研究

王魏興，夏春波，鄭召濤，余 波，肖 垚，席椿富

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

隨著社會的發展，人們對汽車舒適性的要求越來越高，乘員艙的降溫效果成為評價乘員艙舒適性的一個重要指標[1]。一般情況下，轎車只擁有一套空調系統就能滿足降溫需求，對于尺寸較大的車型如大型SUV、MPV等，為了更好地保證乘員艙舒適性，通常會增加一套頂蒸空調系統（Heating，Ventilation and Air Conditioning，HVAC），HVAC

位于后輪轂包位置，風管位于C柱（或D柱）和頂棚內，出風口位于頂棚位置；由于受到頂棚空間限制，風管方向與風口方向處于互為垂直的結構，風口位置會存在較大的風口空腔，氣流通過風口空腔時容易形成渦流。頂蒸風管不同于前吹面風管，氣流從風管進入風口后，在風口空腔中要經過90°向轉角才能吹入乘員艙，這會出現風口出風不均勻的現象，嚴重時甚至會出現風口一半以上區域無風的現象，從而導致乘員艙整體制冷效果不佳，影響乘員艙舒適性以及駕乘體驗[2]。

龔繼如[3]通過仿真和試驗相結合的方式分析了風道壓力對空調風道出風均勻性的影響，但并未研究風口結構對出風均勻性的影響。王愛斐等[4]探究了軌道交通車輛空調風道結構對其整體送風均勻性的影響，但并未研究單個風口出風均勻性。

傳統設計通常是根據經驗和試驗，這樣前期無法有效地評估對應方案下風口的出風均勻性，且加大了開發的周期和成本。本文通過CFD仿真分析對風口進行優化，有效地提升了出風口的均勻性，大大縮短了開發周期，最后通過樣件裝車試驗方法對最終狀態進行試驗驗證，該方案能有效解決風口均勻性差的問題。

1 幾何模型介紹

某車型頂蒸風口出風均勻性較差，甚至會出現風口一半以上區域無風的現象，駕乘體驗不滿足要求。應車企要求，對該車的風口出風均勻性進行優化。

該車為7座大型SUV，為保證后兩排乘員的舒適性，頂蒸風口采用前后各兩個風口的布置方式，風管方向和風口方向互相垂直，風管分析模型如圖1所示，風口的結構及形成的空腔如圖2所示。

圖1 某SUV頂蒸幾何模型

圖2 某SUV頂蒸風口模型

2 頂蒸出風均勻性目標

參考空調前排吹面風口的出風均勻性統計值并與相關工程師進行討論，確定本次頂蒸風口出風均勻性的優化目標如下。

2.1 CFD仿真目標

（1）針對某一風口，均勻性系數≥0.7。

（2）風口被格柵葉片劃分為多個出風間隙依次為1、2風口（圖3），每個出風間隙的平均風速與整個風口平均風速的差值不超過20%。

圖3 頂蒸風口模型

2.2 試驗測量標準

（1）主觀感受各個區域風速度，出風是否均勻。

（2）同一風口均分為左、中、右3個區域（圖4），每個區域隨機測量3次有效值，取平均值記為該區域的平均風速。

圖4 頂蒸風口模型分區

（3）將上述各區域的平均風速取平均值記為本次測量整個風口的平均風速；每個區域的平均風速與整個風口的平均風速差值保持在20%以內。

3 模型建立及邊界條件設置

3.1 模型建立

為保證計算精度，處理模型時盡量保證模型的完整性，以及保留乘員艙中所有部件，包括全部格柵葉片、風口、頂棚、風管等。將整個乘員艙及HVAC、風管、風口處理為完整的封閉的計算域，且各個風口區域50 mm范圍內的頂棚數據不做簡化處理；網格尺寸設置為1～16 mm，對風管、HVAC、風口及風口直吹段區域進行網格加密；對風管、風口、HVAC進行邊界層設置，最終面網格數量為2 360 412個，體網格總數量為18 274 694個；整個降溫模型為內循環。

3.2 分析邊界條件

入口設置為質量流量入口，前HVAC入口質量流量為420 m3/h，后HVAC入口質量流量為210 m3/h，出口設置為壓力出口。

4 基礎模型和初版模型分析結果

本文主要研究風口出風均勻性，基礎模型分析結果顯示風口1出風均勻性最差，因此，將風口1作為研究對象進行分析優化，如圖5所示。

圖5 風口位置布置

初版模型分析結果顯示，風口1的出風均勻性系數為0.61不滿足目標值0.7，且風口平均風速為3.9 m/s。風口左側間隙風速普遍在2 m/s以下（圖6），不滿足每個出風間隙的平均風速與整個風口平均風速的差值不超過20%的要求；整個風口均勻性較差，需要對出風均勻性進行優化。

如圖6和圖7所示，風口1出風很不均勻，出現同一風口一半有風一半無風的現象，與前期車企反饋的問題一致。由于風管的布置空間有限，風管方向與風口方向互為垂直，風口位置存在較大的風口空腔，氣流在流經空腔時，會在空腔內形成渦流（圖8），導致氣流不能從風口均勻地流入乘員艙，所以需要對空腔進行優化。

圖6 風口風速分布云圖

圖8 風口出風流線俯視圖

5 優化方案

原狀態的風口結構如圖9所示，只有一條筋用于調整風口的風量，由于筋未將風口完全分割成獨立的風口，導致風口空腔并不是獨立的空腔，對后期的優化不利。

圖9 原狀態風口結構

按圖10所示的方式調整出風口空腔的結構，將位置1處的筋打通，使風口處形成一個完整獨立的空腔，使風口的出風方式受干擾因素減少；通過不斷的優化調整，最終在位置2處加1個寬度為20 mm，長度為50 mm，深度為6～14 mm的楔形凸臺，以改變空腔結構和渦流狀態；在位置3處加1個寬度為10 mm，長度為20 mm，深度為5 mm的凸臺，提前下壓一部分氣流進入乘員艙，防止渦流減弱或消失后，氣流完全從風口的遠端進入乘員艙的現象。

圖10 優化出風口空腔結構示意圖

6 優化模型分析結果

優化模型分析結果顯示，風口1的出風均勻性系數為0.73，滿足目標值0.7，且風口平均風速為4.1 m/s，風口各個間隙風速超過平均風速的區域均在一半以上，如圖11和表1所示。風速均勻地從風口的各個格柵間隙進入乘員艙，如圖12所示。隨著空腔結構的改變，渦流強度大大減弱，如圖13所示，能夠使氣流從整個風口均勻地進入乘員艙。

圖11 優化方案風口風速分布云圖

表1 各個格柵間隙平均風速統計

圖12 優化方案風口出風流線側視圖

圖13 優化方案風口出風流線俯視圖

7 試驗測試結果

試驗測量風口風速時將風口分為左、中、右3個區域，如圖14所示，分別測量3個區域的出風速度，如圖15所示，且每個區域隨機測量3次，取平均值。

圖14 風口分區域示意圖

圖15 風口風速測量示意圖

優化前對原車使用風速儀測量風口1處的出風風速；測得左、中、右3個區域的風速分別為0.8 m/s、2.9 m/s、4.3 m/s（表2），主觀感受3個區域風速差異較大，左側基本感受不到風，均勻性差。

表2 優化前各區域風速測量值 單位：m/s

優化后制作快速樣件并裝車，使用風速儀測量風口1的出風速度；測得左、中、右3個區域的風速分別為2.8 m/s、3.1 m/s、2.6 m/s（表3）；測得3個區域的風速差異較小，能夠感受到整個風口都有較大的風吹出，且各區域的平均風速都在實測風口平均風速的20%以內，滿足風口的設計要求，能夠得到很好的駕乘體驗。

實測的平均風速都比分析的平均風速低，主要是由于風速葉輪測速儀尺寸較大，出風口較窄，測

表3 優化后各區域風速測量值 單位：m/s

試時出風口不能有效地覆蓋整個風速儀，測試的風速比實際的風速偏低。但通過各個區域的平均風速及整個風口的平均風速間的相互對比可以判定出風的均勻性。

8 結論

本文通過對某車型頂蒸風口出風均勻性優化分析，在風口空腔內加凸臺的優化方案很好地改善了風口的出風均勻性，并通過試驗進行對比驗證，結果表明，優化后的結果能夠滿足設計要求。在整車開發前期采用這種在風口空腔內加凸臺的方法可以快速有效地改善風口出風均勻性，縮短研發周期。該優化方法可以作為同類車型頂蒸吹面的參考。