基于Fluent的汽車空調風道仿真及結構改進

王良柱，張蒙，徐靜

基于Fluent的汽車空調風道仿真及結構改進

王良柱1，張蒙2，徐靜1

（1.成都航天模塑股份有限公司，四川 成都 610100； 2.四川省機械研究設計院（集團）有限公司，四川 成都 610063）

以整車空調風道系統為研究對象，采用網格前處理軟件HyperMesh以及CFD流體分析軟件Fluent，基于-RNG湍流模型，對空調各出風口分風量進行了仿真分析，得出了前排主、副駕以及后排空調出風口的分風量，結果表明，前排主、副駕空調出風口分風量滿足設計要求，后排空調出風口分風量小于設計要求的分風量，不能滿足設計要求；對分析結果進一步研究，找出影響后排出風口分風量的原因，經過對副儀表骨架風道結構改進，重新劃分網格后進行仿真分析，分析結果表明各出風口分風量達到了設計要求。該研究對解決空調風道分風量不均的問題提供了參考。

汽車空調；風道；CFD；結構優化

汽車的副儀表板是汽車內飾的重要部件之一，集成了杯托、儲物盒、換擋面罩、扶手、煙灰缸、后排出風口等功能件。目前中級車型基本都設有后排出風口，但由于該級別的車型都帶有較多的功能，其副儀表板的寬度一定，采用目前的后排通風管道設計對整車向的尺寸要求較大，存在很多限制[1]。傳統的后排空調風道為單獨的吹塑成型風管，一般通過固定栓固定在副儀表板本體上，由于是在通風管道內部通過螺釘固定，固定方式不方便；且由于通風管道內部結構較復雜，通風效果較差，空氣泄漏量較大，降低了空調的利用率，同時增加了裝配時間和產品成本。

采用后排空調風道與副儀表骨架一體化設計，可減少因裝配不良導致的空氣泄漏，提高空調利用率，節省裝配時間和產品成本。

公司原有風道設計對經驗依賴較強，設計周期較長，驗證費用較高。本文通過Fluent軟件，對新開發的一款副儀表板本體后排風道的流動狀態進行分析，得到了各出風口的分風量及風道表面壓強區域分布，設計要求前排空調各出風口分風比例為20%±2.5%、后排空調出風口分風比例不小于15%，原設計分析結果不能滿足設計要求，隨后實施了優化方案并與原設計進行對比，結果表明優化方案有效提高了后排空調風道的分風比例，達到了設計要求。

1 物理模型

本分析數據模型包括主儀表空調風道以及主副駕四個空調出口格柵、空調分風器、副儀表本體和左右側板以及后排出口格柵，總體分析數據模型如圖1所示。

對空調進行流體分析前，首先需要對CAD模型進行前處理，去除對分析沒有影響的風道表面特征，從CAD模型中抽出風道的內表面以及出口格柵外表面，如圖2所示。

將提取的空調風道及空調分風器內表面數模導入HyperMesh中進行工程化建模，從復雜的三維幾何中，提取主要的特征并忽略次要特征[2]進行碎面縫合，對風道連接位置進行光順處理，刪除出風口格柵不影響出風量的風向調節機構，去除＜0.5 mm的圓角，將出口格柵與風道本體進行簡化連接，形成一個封閉的空間計算面域，包括出口格柵、空調分風器內部擋板、風道內表面等；在HyperMesh中對封閉的面進行網格處理，對風道進行網格劃分時總體要求是連續、均勻、美觀、過渡平緩。網格采用四面體單元，網格尺寸按1.5～5 mm，對內表面形成的封閉面劃分面網格，經檢查沒有網格錯誤后直接生成計算所需的體網格，對重點關注區域，如吹面風道以及出口格柵進行局部加密，保證計算精度，共生成150萬左右網格。網格模型如圖3所示。

圖1 分析數據模型

圖2 空調風道表面

圖3 總體網格模型

2 控制方程及邊界條件

根據試驗對比，空調內部的流動分析采用-RNG湍流模型進行分析，在實驗基礎上推導出雷諾應力方程為：

式中：為流體密度，kg/m3；為湍流動能，J；為關于時間的自由變量，s；u為向量的氣流速度，m/s；x為的向量；μ為湍流有效粘度系數；G為由平均速度梯度引起的湍流動能的產生項，J；為湍流動能耗散率；α、α、1ε、2ε為經驗常數，取值為α＝1.39、α＝1.39、1ε＝1.42、2ε＝=1.68[3]。

為簡化問題，對計算區域做如下簡化假設：

（1）固體區域與流體區域的物性參數（如固體的密度、流體的密度與粘度）為常數；

（2）流動為穩態流動（速度、壓力、溫度等物理量不隨時間變化）；

（3）不考慮重力和溫度的影響。

計算介質為空氣，標準大氣壓＝101325 Pa，溫度為常溫23℃，空氣密度＝1.225 kg/m3，空氣粘度＝1.7894×10-5N·s/m3；設空調主機的入口作為質量入口，空氣在入口處的速度均勻分布，進口風量500 m3/h，方向垂直于邊界，出口設為壓力出口，為一個標準大氣壓，對于空調系統的風道分析，壓力－速度耦合一般采用SIMPLE算法，針對該空調系統及設計要求，收斂判斷條件為所有物理量的誤差不大于1.0×10-4。

3 原始風道分風量分析

原始設計風道結構數值模擬分析計算分風量結果如表1所示，可以計算得出空調風道駕駛員側和副駕側風量分配比例分別為45.5%、43.2%，后排側空調出風口風量分配比例為11.3%。前排主副駕風量分配比例基本滿足設計要求，各風口分風量基本滿足要求20%±2.5%；后排風量分配比例小于設計要求的15%，不滿足設計要求。因此后排空調風道，即副儀表骨架風道結構需要重新優化來滿足設計要求。

表1 原始空調風道各出風口風量分配比例

從后排空調風道內部空氣流動的流線圖（圖4）和速度矢量圖（圖5）可以看出，在后排空調風道與后排出風口格柵連接位置產生了明顯旋渦，造成流動損失[4]，流動阻力增大，進而使得后排出風口流速以及流量的降低；同時，該位置流動方向有明顯的改變，這也是導致流動阻力增加、出風口分風量較低的一個原因。為提高后排出風口出風量，此處需要進一步優化產品結構，減小流動的方向突變。

圖4 原始后排空調風道流線圖

圖5 原始后排空調道矢量圖

后排空調風道表面壓力云圖如圖6所示，可以看出，在后排風道的入口前部連接管處出現高壓區，風道與后部出口格柵位置局部出現低壓區。入口出現高壓區表明空調風道的流動阻力較大，分析后排空調風道產品結構可知，在連接管與副儀表空調風道連接處，截面突變較為嚴重，后排風道入口截面面積小于連接管出口截面面積，同時在風道中間位置，由于副儀表骨架產品需要裝配避讓其他零件，導致流通過程中截面變小，風道尾部與出口格柵連接位置，由于副儀表骨架設置有扶手盒，風道兩支管匯合處不能夠做到光順轉向，導致了局部阻力損失增加。總之，由于空氣進入后排風道后，風道截面的突變以及流動方向的突變，流動阻力增大，出口風量降低，導致了后排空調出風口風量不能滿足設計要求。

4 結構優化及分析

從流體流動的一般規律來看，流動的損失主要是局部壓力損失導致的，局部壓力是由于空氣在管道中的流動時，其流動的方向、流量或速度驟然突變，在風道內產生渦流和速度的重新分布，從而使流動阻力大大增加，造成能量損失，這樣的流動損失稱為局部壓力損失。如風道中的三通、彎頭、截面擴大或縮小及進出口處，都會使空氣的速度或流向發生改變，從而產生局部阻力損失。這種局部壓力損失，會使空調噪聲加大。沿程壓力損失主要受限于產品結構，如截面積突變以及流動方向的突變等。所以，在對空調風道進行結構設計時，需盡量避免流體流動的截面突變以及方向突變，減小流動阻力。總之，在分風道設計時，風道走向盡量避免過大的轉角，這會增加局部壓力損失；在風道內部盡量不要有尖角或突出物，這容易產生蝸旋氣流，并有可能產生噪音；風道截面大小盡量做到均勻過渡，避免截面面積、流動方向等的突變。

根據流體力學基本理論，結合計算機軟件工程，對風道內部結構進行優化分析，最大限度的減小截面突變和方向突變造成的流動損失。按照此優化設計理論，在不影響產品結構強度以及不增加模具制造成本的前提下，對副儀表骨架風道結構進行改進，如增加副儀表骨架風道前部的截面積，圓滑過渡尾部渦流位置的轉角。

圖6 原始后排空調表面壓強云圖

副儀表骨架風道結構優化方案如下：

（1）增加副儀表骨架風道入口與前部連接管的截面積，降低入口流動阻力，如圖7（a）所示。

（2）在保證其他功能的前提下，增加副儀表風道中間位置的截面積，減小空氣流動中的阻力，如圖7（b）所示。

（3）在保證模具制造以及滿足產品出模的前提下，對副儀表骨架風道末端流動方向進行圓滑過渡處理，優化風道末端的方向突變，最大程度的降低流動阻力，避免渦流產生，如圖7（c）所示。

圖7 副儀表骨架風道結構優化方案

表2是優化后的后排副儀表空調風道分析結果，優化改進后的空調風道駕駛員側和副駕側風量分配比例分別為43.7%、40.7%，后排側空調出風口風量分配比例為15.7%。后排空調風道出風口分風量明顯增加，滿足了設計分風量不小于15%的要求，同時前排主副駕風量分配比例也滿足設計的各風口分風量20%±2.5%要求；對后排空調結構的優化有效改善了后排空調風道的流動狀況。圖8為優化后后排空調風道流線圖，優化后的后排空調風道內部渦流明顯改善，幾乎沒有渦流的產生，流動更加順暢，減小了流動的能量損失；圖9為優化后的后排空調流動速度矢量圖，通過優化調整風道末端的轉向角度，增加圓角過渡，減小了流動過程中的方向突變，消除了原風道的流動旋渦，流動阻力減小，流動更加順暢。圖10為優化后的后排空調風道表面壓力云圖。對比結構優化前后的后排空調表面壓力云圖發現，優化后的后排空調風道表面壓力比原始風道壓力減小了10 Pa，阻力減小明顯，說明優化后的后排空調風道阻力損失降低。由優化后的分析結果可知，通過對后排空調風道不同位置的流通截面以及轉彎角度進行結構優化，風道內的流道狀態得到提升，流動阻力降低，優化后的后排空調風道出風口分風量滿足了設計要求。

表2 優化后空調風道各出風口風量分配比例

圖8 優化后排空調風道流線圖

圖9 優化后排空調風道矢量圖

優化完成的產品數據，經過數據評審、開模和注塑成型，在空調流量試驗臺架上對裝配完成的整車空調系統進行各出風口分風量試驗，試驗結果如表3所示。

結果表明，在密封完好的情況下，各出風口分風量均滿足設計要求，同時試驗各出風口分風量與分析結果基本一致，再次證明了CFD仿真的準確性。

圖10 優化后排空調表面壓強云圖

表3 實物空調風道各出風口風量分配比例

5 總結及結論

轎車空調系統中，通常設置向后排送風的后風道，由于車身結構的限制，后風道的幾何形狀一般都比較復雜，況且達不到足夠的送風量，影響后排座乘客的乘坐舒適性。本研究利用計算流體力學方法，對新開發的某一車型空調的雙后風道流動特性進行分析，找出影響后排風道流動的阻力點，結合副儀表骨架結構強度問題，在滿足強度要求的前提下，設計出后排風道與副儀表骨架一體化成型，在有限空間內增加了后排風道的截面面積。實現布局緊湊，減小外部尺寸，同時滿足后排乘客的舒適性，解決整車后排空調出風口分風量達不到設計要求的問題。并最終形成設計分析標準規范，以指導空調系統在主副儀表板開發過程中的應用。同時，試驗也進一步證明了數值計算方法的靈活及準確性，為后期類似項目的開發提供了便捷的方向。

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Simulation and Structural Improvement of Air Duct of Automobile Rear Air Conditioner Based on Fluent

WANG Liangzhu1，ZHANG Meng2，XU Jing1

( 1.Chengdu Aerospace Mould & Plastic Co., Ltd., Chengdu 610100, China;2.Sichuan Machinery Research and Design Institute (Group) Co., Ltd., Chengdu 610063, China )

3D fluid domain modeling after meshing (Hypermesh) satisfied requirements of calculation and analysis, also, CFD fluid analysis software (Fluent) were used to analyze the air duct system of car. This analysis was based on k-εRNG turbulence model. The calculation of each air outlet’s air volume result indicated that the value of rear air conditioning outlet can not adapt design requirement which the front ones can meet. Therefore, the analysis results were studied to find the reasons affecting the air distribution of rear air outlet. We modified the structure and modeled again. Optimization solutions which confirmed by analysis results meet design requirements as indicated. This study provides a reference for solving the problem of uneven air volume distribution in air duct.

air conditioner duct；air duct；CFD；structural improvement

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.01.005

1006－0316 (2021) 01－0030－07

2020－03－27

王良柱（1986－），山東菏澤人，碩士研究生，工程師，主要從事汽車空氣動力學研究工作，E-mail：wlzhu99@163.com。