基于溫度線性控制的汽車空調(diào)HVAC總成分析

文/李思維、徐小兵

1 前言

在溫度線性控制模式的應(yīng)用背景下，通過優(yōu)化和完善汽車空調(diào)HVAC 總成結(jié)構(gòu)，不僅可以實現(xiàn)對HVAC 總成內(nèi)部流道的科學(xué)設(shè)計，提高汽車空調(diào)的運行性能，而且還能降低HVAC 內(nèi)部阻力，將汽車空調(diào)的功耗降到最低，以起到節(jié)能降耗的作用；另外，其還能夠保證汽車內(nèi)部環(huán)境的舒適性，在對汽車空調(diào)風口的科學(xué)設(shè)置方面發(fā)揮出重要作用。為了充分發(fā)揮和利用溫度線性控制模式的應(yīng)用優(yōu)勢，如何科學(xué)地分析和汽車空調(diào)HVAC 總成是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

2 汽車空調(diào)HVAC 總成概述

HVAC 總成主要由蒸發(fā)器、離心式風機、進風罩等零件組成，通過這些零件布置于汽車內(nèi)儀表板底部，可以保證汽車空調(diào)制冷效果[1]。另外，HVAC 總成作為汽車空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅可以調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度、濕度、空氣流速，還能實現(xiàn)對車內(nèi)空氣的凈化，為提高乘坐的舒適性、美化車內(nèi)裝飾打下堅實基礎(chǔ)。

3 基于溫度線性控制的汽車空調(diào)HVAC總成計算模型建立

計算區(qū)域離散化作為HVAC 總成計算模型構(gòu)建的首要環(huán)節(jié)，需要根據(jù)所需要計算模型特點科學(xué)地確定出計算區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上，采用幾何處理方式，精確計算出模型相關(guān)參數(shù)，然后嚴格按照模型計算相關(guān)標準和要求，構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)格模型，并選用科學(xué)的離散方法。

3.1 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計

在這一環(huán)節(jié)中，需要HVAC 總成劃分為以下兩個組成部分：一個是前置HVAC 系統(tǒng)模型，另一個是頂置HVAC 系統(tǒng)模型，便于全面地了解和把握系統(tǒng)內(nèi)部流道的變化情況。

3.2 模型簡化

一方面，通過利用ANSAV13.1.3 軟件，運用幾何簡單處理的方法，經(jīng)過處理模型，可以使流場和模型之間的一致性與統(tǒng)一性得到有效保障；另一方面，還需要盡量保存風口模型的原始形狀，從而得出簡化后HVAC 模型。

3.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分主要是指通過對模型計算流程進行真實化模擬，將計算模型區(qū)域劃分為若干個網(wǎng)格，然后借助離散化求解法，根據(jù)網(wǎng)格的數(shù)量，精確出模型計算的精確度。例如：通過利用ANSA 軟件，就可以實現(xiàn)對汽車空調(diào)蒸發(fā)器系統(tǒng)的網(wǎng)格化劃分。

4 基于溫度線性控制的汽車空調(diào)HVAC總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化前置HVAC

對于原設(shè)計模型而言，由于進風道的放置角度不合理，導(dǎo)致模型內(nèi)部空氣流動不暢，進而引發(fā)流場出現(xiàn)渦旋不科學(xué)問題。為了解決這一問題，現(xiàn)提出以下兩種優(yōu)化模型，以實現(xiàn)對原設(shè)計模型的科學(xué)優(yōu)化[2]。

4.1.1 優(yōu)化模型1

優(yōu)化模型1 在具體的設(shè)計中，在模型拐彎位置安裝與固定兩塊大小不同的導(dǎo)流板，接近入口位置的導(dǎo)流板長度為315mm，寬度為36mm；接近于蒸發(fā)器底部的導(dǎo)流板長和寬分別為300mm、20mm，與入口距離較近的導(dǎo)流板尺寸相對較大，這是由于與進口距離較近的地方所對應(yīng)的流道體積比較大，空氣通入量較多，這無疑增加了引導(dǎo)面積，進而使得該位置處的導(dǎo)流板尺寸較大[3]。

4.1.2 優(yōu)化模型2

優(yōu)化模型2 在具體的設(shè)計中，主要是在優(yōu)化模型1 的基礎(chǔ)上改進后形成的，通過將長和寬分別為280mm、120mm 的導(dǎo)流裝置安裝和固定與優(yōu)化模型1上，所添加的導(dǎo)流裝置呈現(xiàn)出凸臺狀。其目的是降低空氣的流動空間，使得大量的空氣快速進入蒸發(fā)器中，從而提高蒸發(fā)器進口面的空氣流速[4]。

4.2 原模型與優(yōu)化后模型計算結(jié)果比較

采取制冷吹面方法，對比分析原模型和完善后模型的計算結(jié)果，然后結(jié)合最后的對比分析結(jié)果，有效處理優(yōu)化模型的渦旋問題，使得蒸發(fā)器進口面速度分布具有一定的合理性和均勻性。優(yōu)化模型1 所對應(yīng)的渦旋范圍影響程度較小，優(yōu)化模型2 是在優(yōu)化模型1 的基礎(chǔ)上進行設(shè)計的，所對應(yīng)的渦旋影響程度更小，通過比較不同優(yōu)化模型蒸發(fā)器進口截面的風速分布狀況能夠看出：優(yōu)化模型2 與優(yōu)化模型1 相比較高，優(yōu)化模型1 與原模型相比較優(yōu)。對于原模型而言，藍色低速區(qū)和紅色高速區(qū)分別分布于位于蒸發(fā)器進口截面的正下方、左下方，導(dǎo)致蒸發(fā)器的空氣流動過程中存在不均衡的現(xiàn)象。從優(yōu)化模型1 方面來看，藍色范圍中存在減弱狀態(tài)，但是優(yōu)化模型2 的藍色低速范圍和紅色范圍全部消失，使得蒸發(fā)器速度流場表現(xiàn)出一定的合理性和均勻性。

前置HVAC 制冷吹面模式下各截面靜壓（Pa）、速度（m/s）、溫度（K）情況如下：原模型進風口為76m/s、出風口為-0.06m/s、蒸發(fā)器進風口為205.88m/s、蒸發(fā)器出風口為60.26m/s、蒸發(fā)器壓降145.63Pa；優(yōu)化模型2 的進出風口分別為71.02m/s與-0.07m/s、蒸發(fā)器的進出風口分別為194.74m/s 與53.7m/s、蒸發(fā)器壓降141.05Pa；差值為-4.99m/s和-0.02m/s、-11.15m/s、-6.57m/s、-4.59Pa。從這些數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化模型2 所對應(yīng)的蒸發(fā)器壓降低為141.05Pa，通過和原模型進行對比，蒸發(fā)器的靜壓值明顯降低4.58Pa，如果蒸發(fā)器的壓降一直保持持續(xù)下降的趨勢，蒸發(fā)器的阻力下降至最低；此時，出風口的風速會不斷增加。優(yōu)化模型2 所對應(yīng)的蒸發(fā)器風速達到了4.85m/s，與原模型相比，其速度整整增加了0.41m/s，增加量幾乎達到了10%。前置HVAC制冷吹面模式下各截面速度（m/s）：原模型進風口24.29、出風口4.44、蒸發(fā)器進風口8.05、蒸發(fā)器出風口2.06；優(yōu)化模型2 的進風口24.29、出風口4.85、蒸發(fā)器進風口7.69、蒸發(fā)器出風口2.06；差值為0、0.42、-0.37、0。優(yōu)化模型2 所對應(yīng)的蒸發(fā)器風溫為274.90K，通過將優(yōu)化模型2 和原模型進行比較，該模型的速度下降了4.11K，明顯提高了蒸發(fā)器的換熱效率。前置HVAC 制冷吹面模式下各截面溫度（K）：原模型進風口303.16、出風口280、蒸發(fā)器進風口298.34、蒸發(fā)器出風口272.23；優(yōu)化模型2 的進風口303.16、出風口274.9、蒸發(fā)器進風口296.7、蒸發(fā)器出風口271.77；差值為0、-4.12、0.37、-0.47。

4.3 優(yōu)化頂置HVAC

為了解決蒸發(fā)器出風口風速不均勻問題，提高空氣流動的順暢性，科學(xué)修改和優(yōu)化出口角度。當出口角度優(yōu)化后，優(yōu)化模型1 指出風口的速度達到了4.9m/s，風速整整增加了25%，這說明蒸發(fā)器出風口的風速分布變得更加合理化、均勻化。同時，從這些數(shù)據(jù)我們還能夠發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化處理后的出風口風溫持續(xù)降低，其下降量高達3.4K，最終實現(xiàn)理想的制冷效果。頂置HVAC 進出風口平均風速：原模型的頂配HVAC 進出風口風速的平均值為3.02m/s 與3.96m/s、頂配HVAC 進出風口的平均風溫是303.16K 與289.07K；HVAC 經(jīng)過優(yōu)化之后的進出風口風速平均值為3.02m/s 與4.90m/s、頂配HVAC 進出風口的風溫的平均值為303.16K 與285.67K；差值為：0、0.95、0、-3.3。

5 結(jié)語

綜上所述，在溫度線性控制模式的應(yīng)用背景下，通過有效開展汽車空調(diào)HVAC 總成結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化工作，得到以下工作成效：

5.1 優(yōu)化前置HVAC

為了使蒸發(fā)器進口速度分布的科學(xué)性與合理性得到有效提升，技術(shù)人員要在進口圓弧端安裝和固定以下兩種裝置：一種是導(dǎo)流板，另一種是導(dǎo)流裝置。此時，流場性能得以有效提升，不僅降低了旋渦影響范圍，而且還能提高蒸發(fā)器的性能。

5.2 優(yōu)化頂置HVAC

為了確保蒸發(fā)器出風口風速變得更加均勻，我們需要不斷修改、優(yōu)化出風口的角度，以此不僅提高出風的穩(wěn)定性和均勻性，而且還能確保蒸發(fā)器性能得以有效提升。