基于環境模擬試驗的乘員艙制冷仿真分析

余明明，王凱

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

隨著汽車工業的快速發展，人們對車輛可靠性、舒適性的要求越來越高[1]，因此整車試驗驗證變得格外重要。而為了滿足春夏秋冬的整車驗證條件，整車環境模擬試驗也越來越多地應用于主車廠地試驗驗證體系中。但是，由于環境模擬試驗周期長、試驗成本高、試驗資源有限等，因此建立仿真模型的虛擬試驗驗證成為一種重要手段。

在眾多的環境模擬試驗項目中，整車空調制冷試驗占據著重要的地位。其主要考核空調系統在夏季高溫暴曬后降低車內溫度的性能，對整車空調系統的制冷性能進行評價。但是在開發驗證階段，我們往往需要通過反復的車輛整備和試驗進行問題的驗證，而通過虛擬驗證建立仿真工況的形式，獲取相應的乘員艙溫度場、流場進行分析，可大大地縮短驗證周期。整車環境模擬領域的虛擬驗證發揮著越來越重要的作用。

本文通過將現有制冷性能驗證工況進行數值模擬，建立相應的制冷仿真模型，通過設定對應的邊界條件，計算得出乘員艙的溫度場結果，并與試驗進行對比。

1 乘員艙制冷仿真模型

1.1 幾何模型清理

本文使用Hypermesh軟件對模型進行簡化處理，模型去除了機艙、車輪等對乘員艙流場影響較小的部分，對螺母、墊片等細小零部件進行清理，將孔、尖角進行修正，并保留方向盤等幾何角度變化大的形狀。模型包含乘員艙表面、玻璃、座椅等數據，簡化后的單一封閉模型見圖1。

圖1 模型簡化

1.2 生成體網格

Star_ccm+提供多種體網格類型。為提高網格精度及計算的收斂速度[2]，本文針對乘員艙模型，采用Trim模型進行體網格劃分。

1.3 創建監測點

根據試驗測點位置在模型中建立相應的監測點，主要包含主駕頭部、副駕頭部、后排左頭部、后排中頭部以及后排右排，并建立相應的頭部截面，監測點位置見圖2：

圖2 監測點位置

2 計算條件設置

乘員艙制冷仿真模型建立完成后，在模型中輸入各項邊界條件參數，以獲取相應工況下的仿真結果。

2.1 進出風口邊界

通過中低速及怠速工況的環模試驗，在吹面出風口布置熱電偶采集出風口溫度曲線，取穩定后出風口溫度作為乘員艙仿真模型進風口參數。模型的出風口邊界為壓力出口，出口壓力為一個大氣壓。

2.2 壁面邊界條件

表1 車身壁面條件

車身的壁面參數影響乘員艙的換熱計算，因此需要對此進行設定。一方面，通過試驗測量得到各壁面的溫度數據，一方面根據各壁面材料特性，分別設定各邊界的熱傳遞系數、熱阻等參數，見表1。

2.3 太陽輻射

太陽輻射模型參數參照試驗時環境艙所設定的太陽輻射強度，日照方向由Azimuth angle和Altitude angle來定義。參數設定見表2：

表2 日照模型

3 仿真計算結果

完成模型處理和邊界條件設定后，利用STAR CCM+軟件分別得到40km/h和怠速工況下穩態的乘員艙溫度場數據：

①4 0km/h 工況：

圖3 主副駕側X-Z方向截面溫度場分布圖

圖4 前后排Y-Z方向截面溫度場分布圖

②怠速工況：

圖5 主副駕側X-Z方向截面溫度場分布圖

圖6 前后排Y-Z方向截面溫度場分布圖

4 整車環模制冷試驗

為獲得仿真模型的邊界參數（進風口邊界、壁面溫度等），同時獲得40km/h和怠速工況的實車溫度數據，并實現仿真分析與實車結果的對比，因此基于現有整車環境模擬試驗艙資源，設計試驗方案和開展試驗。

4.1 邊界條件測量

邊界條件測量主要包括進風口邊界以及壁面溫度數據，通過在空調吹面出風口中心、車身內外表面等位置布置對應熱電偶獲取相應溫度曲線，布點位置見圖7：

圖7 車輛測點布置

4.2 乘員頭部溫度測量

為了與仿真中計算得到的乘員頭部溫度對比，通過在實車內相同位置布置溫度傳感器獲得對應的頭部溫度。

4.3 試驗實施

4.3.1 試驗方案

按照現有整車制冷試驗流程，分別在環境倉中開展40km/h、怠速工況下的制冷試驗得到各項溫度數據。試驗工況和車輛空調設置見表3、表4：

表3 空調設置

表4 試驗工況

4.3.2 試驗結果

測量得到各項溫度數據，取試驗結束穩定的溫度作為模型邊界參數。出風口溫度曲線見圖8、乘員頭部溫度見表5。

圖8 出風口溫度曲線

5 結果對比

將得到的實車頭部溫度數據和對應位置的仿真分析結果進行對比，對比結果如下表5：

表5 結果對比

由結果來看，在各工況下，制冷試驗結果與仿真各個頭部溫度誤差在10%以內，滿足工程上的精度要求。

6 結論及展望

本文應用star_ccm+對乘員艙流場進行仿真分析，通過對整車進行怠速和40km/h工況的降溫分析，整體上仿真模擬結果和試驗結果較吻合，頭部溫度誤差在10%以內。CFD仿真分析可為試驗結果分析提供溫度場支持；針對穩速工況，也可逐個變量進行研究，與試驗相結合，快速選擇最優方案，縮短研發周期。在整車設計中，虛擬和試驗相結合發揮著越來越重要的作用。