汽車空調溫度場與流場耦合分析與結構優化

王 俊，楊啟梁，權 妮

(1.武漢科技大學 汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430081；2.東風馬勒熱系統有限公司，湖北 武漢 430056)

為了讓車室內人員駕乘體驗能直接提升，汽車空調系統孕育而生，它不僅可以調節車室內的溫度和濕度，還能使空氣流通和保證空氣清潔度[1]。汽車空調性能主要包括溫度、濕度、風量、制冷量等，汽車空調內的溫度場和流場分布是否合理，是汽車空調設計開發時要考慮的主要因素。各出風口溫度需滿足“頭冷腳熱”的要求，若流場分布不合理，使吹臉出風口的溫度大于吹腳出風口的溫度，在冬季可能會造成駕駛員困倦，不能保持一個清醒的狀態，從而導致交通事故的發生。

近年來，CFD方法廣泛應用到汽車空調內流場和溫度場的研究中，CFD方法可以非常詳細準確地分析汽車空調內的流場和溫度場，得到合理的汽車空調內部流場和溫度場分布，提高車室內的乘員舒適性。

現有對于汽車空調性能的研究，如嚴運兵等通過CFD方法，分析了空調風道內的溫度場，并根據仿真結果優化了風道結構，改善了溫差問題[2]；賀賽等通過對汽車空調風道進行優化設計，降低風道空氣阻力，提高空調送風性能[3]；張文燦等運用CFD方法，分析了出風口風量配比的問題，并通過計算結果對原始風道進行結構優化，最終風量配比達到標準[4]。大多針對汽車空調的溫度場或者汽車空調各出風口風量配比的研究，但溫度場與流場具有耦合關系，將二者聯系起來進行整體的分析研究較少。本文以某商用車空調為例，運用CFD方法對空調系統的溫度場與流場進行了耦合研究。首先，在分析原結構溫度場的基礎上，以各出風口控制溫差為目標對導流板的結構進行了優化，然后以出風口控制溫差為約束條件，以風量均勻度為目標，結合流場分析對風道結構進行了優化，使出風口風量和溫度同時滿足了設計要求。

1 汽車空調箱體及風道總成計算模型的建立

1.1 汽車空調箱體及風道總成幾何模型

汽車空調箱體及風道總成使用三維建模軟件CATIA建立幾何模型，模型由鼓風機、蒸發器、暖風芯子、空調箱體、風門和風道等組成，其幾何模型如圖1所示。

圖1 汽車空調幾何模型

1.2 CFD計算模型

運用STAR CCM+軟件，將幾何模型導入其中，對幾何模型進行重復面的刪除和自由邊的修復；對進口、出口和各個區域的交界面進行劃分與命名，將風門旋轉至所需要的角度；接著基于PBM(Part Base Mesh)的網格劃分方法對空調進行網格劃分，共劃分了7 456 611網格。汽車空調CFD計算模型如圖2所示。

圖2 汽車空調CFD計算模型

2 空調溫度場分析與導流板結構優化

由于溫度場和流場具有耦合關系，對出風口溫度與風量的優化是一種雙目標優化問題，采用分步優化法。首先在分析原結構溫度場的基礎上，以各出風口控制溫差為目標對導流板的結構進行優化，再以出風口控制溫差為約束條件，以風量均勻度為目標對風道結構進行優化，最終使出風口風量均勻度和溫差滿足設計要求。溫度場與流場耦合分析流程圖如圖3所示。

圖3 溫度場與流場耦合分析流程圖

2.1 汽車空調TCC分析

汽車空調TCC(Temperature Control Curve，簡稱TCC)模式分為單模式、半模式和全模式。其中，單模式包括吹臉單模式、吹腳單模式和除霜單模式；半模式包括吹臉吹腳半模式和吹腳除霜半模式；全模式為吹臉吹腳除霜模式。此型號汽車空調的吹臉風道和除霜風道為共用風道，僅吹臉和除霜的出風口有所區別，若吹臉吹腳半模式的溫差達到標準，則吹腳除霜半模式的溫差也滿足標準。因此對吹臉吹腳半模式和吹臉單模式下的溫度場進行仿真和試驗分析。在做TCC分析的時候，對模擬的溫度值不作定量評價，但各出風口溫差值需滿足相應標準。根據此型號空調的溫差標準，吹臉吹腳半模式下吹臉出風口與吹腳出風口的溫差需小于26 ℃；吹臉單模式下，各出風口溫差需小于5℃。根據各個模式所關心的風門開度，吹臉吹腳半模式下混合風門開度分別開20%、30%、50%、60%、80%；吹臉單模式下混合風門開度分別開20%、30%、50%。

2.2 邊界條件設置

本文使用STAR CCM+軟件對汽車空調進行穩態求解。入口為質量流量，其速率為4.4 kg/min，出口為壓力，壓力大小與標準大氣壓相同。流體根據密度是否為常數分為可壓縮流體和不可壓縮流體，多數條件下，空氣為可壓縮流體。但在聲速遠大于氣體流速的情況下，空氣可按不可壓縮流體處理[5]。在汽車空調內部流場的仿真計算中，將空調內部的空氣按不可壓縮處理；在標準大氣壓下，空氣密度為1.292 kg/m3。在CFD模擬中，將蒸發器和暖風芯子設置成多孔介質[6]。吹臉吹腳半模式下原始方案的溫差仿真結果如表1所示，風門開度為60%時的溫度云圖如圖4所示，吹臉單模式下溫差的仿真結果如表2所示。

表1 吹臉吹腳半模式下原始方案的溫差仿真結果

圖4 吹臉吹腳半模式下原始方案風門開度為60%時的溫度云圖

表2 吹臉單模式下原始方案溫差的仿真結果

原始方案的仿真結果表明，在吹臉吹腳半模式60%風門開度時，吹臉與吹腳出風口的溫差為27.1 ℃，不滿足小于26 ℃的要求；在吹臉單模式20%、30%、50%風門開度時，吹臉出風口溫差均大于5 ℃的溫差標準，不符合溫差標準。

2.3 優化方案及試驗驗證

原始方案仿真結果表明，吹臉吹腳半模式60%風門開度時的溫差結果是不滿足標準的，根據流線圖(見圖5)可以看出，吹臉吹腳半模式下更多的熱風吹向右吹腳風道，使右吹腳出風口的溫度很高，導致吹臉吹腳的溫差過大，所以優化方案將導流板中間的擋板封閉并向下縮減，在左右兩側對稱位置各加一塊扇形結構擋板，使通往右吹腳的熱風分流去往中間吹臉出風口。原始方案和優化方案的導流板結構如圖6所示。吹臉單模式下導流板優化方案的溫度仿真結果如表3所示。吹臉吹腳半模式下導流板優化方案的溫度仿真結果如表4所示。

圖5 原始方案吹臉吹腳半模式風門開度為60%時的流線圖

圖6 導流板結構

表3 吹臉單模式下導流板優化方案溫度仿真結果

表4 吹臉吹腳半模式下導流板優化方案溫度仿真結果

對比導流板優化前后結果可以得出，優化方案在吹臉吹腳半模式、吹臉單模式下的溫差結果均達到了標準，對空調溫差的改善有著明顯效果。

基于優化方案CFD模擬的結果，將導流板做出樣件，進行TCC臺架試驗的驗證。此試驗測試臺架由風量臺、TCC性能測試臺架、邏輯控制儀、空調總成、風道、數據采集儀、溫度傳感器等組成。為了準確測出各出風口的溫度，實驗過程中在每個出風口的四條邊的中心位置各布置一個溫度傳感器，即每個出風口共四個溫度傳感器，最終出風口溫度為這四個溫度傳感器測得溫度的平均值。試驗測試臺架和導流板優化方案的樣件如圖7所示。

圖7 試驗現場圖

由表5可以看出，由于試驗過程中可能存在樣件制作裝配的偏差，風門閉合不足，試驗現場環境因素等的影響，使仿真和試驗結果不能完全一致，但溫差曲線趨勢基本一致，空調出風口溫差都滿足設計要求。

表5 吹臉吹腳半模式下導流板優化方案的溫差試驗結果

3 空調流場分析與風道結構優化

3.1 原始風道流場及風量仿真計算

對于汽車空調風量的考慮，通常都是在吹臉全冷模式下進行，以前面導流板優化的溫度場為約束條件，對風量進行計算，各出風口風量均勻度需大于97%。吹臉全冷模式下導流板優化方案的風量分配百分比如表6所示，原始風道的速度流線圖如圖8所示。

圖8 原始風道速度流線圖

表6 吹臉全冷模式下導流板優化方案的風量分配百分比 %

通過吹臉全冷模式下導流板優化方案的風量分配百分比可知，左中吹臉出風口風量的均勻度為96.8%，不滿足出風口風量的均勻度大于97%的標準。

由于風道形狀的改變，使流體在風道形狀變化處分離。分離的流體一般含有不同剪切強度、不同尺度的渦或波[7]。通過對左側吹臉風道、右側吹臉道、左中吹臉風道的風量結果和速度流線圖分析表明，由于風道形狀的突變，左側吹臉風道和出風口的連接拐角處，存在較大渦流；右側吹臉風道和出風口的連接拐角處，同樣存在許多無效渦流；左中吹臉風道與出風口連接處存在較大渦流，并且此處幾乎沒有風通過，同時又增加了風阻，使風量無謂的損失。

3.2 風道結構優化

由于在風道結構優化的過程中，內飾的布置不應受到其影響，故本文將出風口保留，僅針對風道非出風口部分的結構進行優化。根據原始吹臉風道速度流線圖和風量分配結果分析，左側吹臉風道和右側吹臉風道優化的主要目標是為了減少甚至切除渦流的產生，降低管道內的風阻和動力損失；左中吹臉風道的優化目標主要是為了提升風量，增加風道內的有效流動，因此風道結構的優化方案為：將兩側吹臉風道拐角處尖角突出部分優化成圓弧形過渡，將左中吹臉風道向外突出部分優化成圓弧形向內凹進。原始和優化方案的風道結構如圖9和圖10所示。

圖9 原始風道結構

圖10 風道優化方案結構

吹臉全冷模式下風道優化方案的風量分配百分比結果如表7所示。

表7 吹臉全冷模式下風道優化方案的風量分配百分比 %

由表7可以看出，各出風口風量的均勻度均滿足大于97%的標準。由于風門開度為50%時的溫差受風量影響較大，故對吹臉吹腳半模式風門開度為50%時進行模擬，吹臉吹腳半模式下風道優化方案在風門開度50%時的溫度模擬結果如表8所示。

表8 吹臉吹腳半模式下風道優化方案風門開度50%時的溫度模擬結果 ℃

由表8可以看出，吹臉吹腳溫差為25.1 ℃，滿足溫差小于26 ℃的標準。風道優化后的速度流線圖如圖11所示。

圖11 風道優化方案速度流線圖

優化結果顯示，各出風口風量均勻度達標，風道結構優化的地方，渦流減少或基本沒有渦流產生，且吹臉吹腳的溫差也滿足要求。

4 結 論

針對汽車空調內部的溫度場和流場的耦合問題，本文采用分步優化方法，首先運用CFD方法，在分析原結構溫度場的基礎上，以各出風口控制溫差為目標對擋流板的結構進行了優化，使吹臉吹腳半模式風門開度為60%和吹臉單模式三種風門開度狀態下的溫差各自達到了標準；再以出風口控制溫差為約束條件，以風量均勻度為目標，結合流場分析對風道結構進行了優化，使出風口風量和溫度同時滿足了設計要求。

將溫度和風量這兩個關鍵的影響因素耦合起來，運用CFD方法，分步對汽車空調內溫度場和流場進行模擬及優化，大大縮短了空調設計開發的時間，節省了成本，為汽車空調設計提供了行之有效的新思路。