基于CFD 技術的暖風芯體結構設計與優化分析

張金森，王 浩，王 永，王大健

（南京協眾汽車空調集團有限公司，江蘇 南京 211100）

1 引言

隨著科技水平的不斷發展以及人們生活水平的明顯提高，消費者對汽車乘員艙的舒適性提出了越來越高的要求。汽車空調作為調節乘員艙內部環境的重要部件，對乘員艙舒適性起著至關重要的作用。汽車空調從功能上分主要有吹面、吹腳、除霜三大部分，其中吹腳、除霜兩大功能均與暖風芯體的性能息息相關，如果空調箱內暖風芯體的換熱性能不足將直接導致汽車采暖及除霜性能下降，從而影響車內乘員的舒適性，嚴重情況下可能使得汽車空調性能不能滿足法律法規要求，最終對汽車的銷量帶來不利影響［1］。

近幾年來，CFD數值仿真分析技術已日趨成熟。事實證明，在汽車設計開發過程中CFD仿真分析是一種真實有效的降低開發成本并提高工作效率的手段［2］。通過CFD仿真分析可直觀便捷地觀察到系統及零部件內部流場的速度、壓力及湍流的詳細分布情況，彌補了試驗測試手段的不足，有利于設計人員在項目前期開發過程中能及時有效地發現問題并通過相應的手段將其解決。

本文利用流體軟件對暖風芯體介質側進行了數值仿真分析，獲得了內部流場的分布情況［3，4］。根據仿真分析結果發現芯體各扁管內部介質流量分配不均勻，這直接導致了暖風單芯體的換熱性能下降。針對上述缺陷問題對暖風芯體的水室結構實施了一系列的優化方案，并將最好的方案作為凍結數據并進行試驗驗證，最終通過驗證得出仿真分析結果的可靠性。該分析方法為今后暖風芯體的設計開發奠定了一定的基礎。

2 模型建立與仿真設置

2.1 幾何模型及網格劃分

圖1a為暖風芯體基礎模型的幾何數據，對其進行流體分析前，首先需通過前處理軟件對數據進行表面處理，去除對分析沒有影響的表面特征及一些對最終結果影響很小的細小結構，這些細小特征不去除最終將會導致體網格品質變差，求解時所需資源及計算時間也會相應增加；最后對清理后留下的內流道各部分進行命名并將進出口管道延長封閉。處理好的計算模型如圖1b所示，將其進行面網格劃分并導入流體軟件中進行面網格品質修復及體網格劃分。為了保證計算精度同時兼顧計算機硬件資源對局部進行了適當的網格加密處理，體網格總數約1300萬。

圖1 仿真分析基礎模型

2.2 邊界條件及計算工況

本次仿真分析內部流動介質為50%體積濃度的乙二醇水溶液，入口采用質量流量邊界，出口采用壓力邊界氣壓值為大氣壓，其具體仿真分析工況及介質屬性見表1。

表1 仿真計算工況

3 計算結果分析

3.1 初次試驗及仿真結果對比分析

通過初次試驗發現對標件的單體換熱性能要高于我司產品，因此按照對標件結構在盡量減小現有模型改動的基礎上將其上下水室進行了下壓式處理。對標件及基礎模型初步改進后的仿真數模如圖2所示。將改進后的方案進行快速樣件試制并再次進行試驗發現其換熱性能相比于原來更差，因此進行CFD定性分析。

圖2 對標件及方案1計算模型

由于此改款車型暖芯空氣側結構基本不改動，其換熱性能的強弱僅與介質側的流動相關，因此僅對介質側流體的流動進行了分析，從而定性判斷其對換熱性能的影響。通過3.3表4中流量分配分析結果可知，對標件各扁管的流量分配比例在各工況下流動均勻性非常好，而基礎模型各扁管流量分配比例均勻性較差，經初步優化后其流量分配比例均勻性更差。從側面可以推斷出初步優化后的模型單芯體換熱性能要低于基礎模型，這一結論與試驗結果趨勢一致。其試驗結果如3.2中表2所示。

3.2 優化方案

由3.3表4中基礎模型及方案1各扁管的流量分配比例可知，靠近進出口側的扁管流量比例高于平均值，遠離進出口側的扁管流量比例低于平均值。在此暖風芯體出風側結構基本不變的情況下要想提高單芯體換熱性能，需提高各扁管的流量分配比例的均勻性。為了提高遠離進口側扁管的流量分配比例，將水室的結構改為了逐漸上抬式進而使更多的冷卻液向后流動，且截面由矩形變為了圓弧形并增加了1根扁管，其仿真分析模型如圖3a方案2所示。

圖3 優化模型

通過3.3表4中方案2的仿真分析結果統計可知此方案對提高遠離進出口扁管的流量分配比例不明顯，因此繼續加大了水室抬高的幅度，并稍微減小了上下水室之間的距離，其仿真分析數模如圖3b方案3所示。結果可知此方案有一定的效果，但是部分扁管水流量分配比例相對平均值差距還是偏大，為了能夠讓各扁管流量分配分布得更加均勻，于是在方案3的基礎上將水室兩端的圓弧部分直接連接（示意圖如圖4a水室上紅線所示），并縫補非圓弧之間的漏洞，同時減小插入到水室內部的扁管長度 （示意圖如圖4b將虛線部分剔除），最終細化后的方案如圖4c所示。

圖4 方案4

通過3.3表4中方案4的仿真分析結果統計可知此方案各扁管的流量分配均勻性相比基礎方案均有了很大提升，尤其是600L/h、1000L/h兩個工況提升了50%左右，其均勻性均達到了80%以上，雖然200L/h工況其均勻性僅提高14%，但是其各扁管的流量分配比例與平均值之間的差異較小，總的均勻性要好于其他兩個工況。同時根據芯體的壓損分析結果數據可知，方案4的內流阻相比基礎方案減小了近一倍，進而得知扁管插入到水室內部的長度對芯體內流阻影響甚大。在水泵功率不變的情況下，內流阻減小將會提高芯體在整個系統中的換熱能力。通過試驗驗證，方案4的單芯體換熱性能各工況下相比基礎數據提高了3～8個百分點，滿足了設計要求，因此最終采取方案4作為凍結數據進行凍結。各方案試驗數據如表2所示。

表2 試驗測試性能結果數據

3.3 不同方案間差異及流量分配結果對比（表3、表4）

由表4中流阻的分析結果可知，除方案4外其它方案流阻結果差異均不大，結合表3不同數模之間差異可知扁管深入到水室內部的長度對其流阻有重大影響；由標準差統計結果可知方案4扁管流量分配比例的標準差值各工況下均提升了44%以上；由均勻性數據可知方案4各扁管的均勻性最好，各工況下均達到了82%以上。

表3 不同數模之間差異

表4 各方案流量分配及流阻結果

5 結論

本文首先通過試驗發現暖風單芯體換熱性能差的問題，然后采用CFD仿真分析方法剖析其根本原因發現了設計中的不足之處并不斷對其進行優化，使得各工況下扁管的流動均勻性提升到82%以上且芯體內流阻降低了約一倍。最后通過試驗驗證不同工況下單芯體的換熱性能提高了3%～8%，有效地解決了單芯體換熱性能低的問題。這種試驗與仿真分析相結合的方法在項目設計開發過程中具有一定的指導意義。