具有行李承載功能的客車空調(diào)風(fēng)道的開(kāi)發(fā)及仿真

魯秉仁,程二濤,倪一銘,聞 坤

(南京依維柯汽車有限公司,南京 211806)

受農(nóng)田及基礎(chǔ)設(shè)施限制,農(nóng)村公路路面寬度一般控制在4 m左右,市場(chǎng)上滿足該路況的客車產(chǎn)品較少。為適合農(nóng)村公路通行,我司準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)一款短頭窄體客車,車身寬度控制在2 m之內(nèi)。為滿足營(yíng)運(yùn)客車相關(guān)要求[1],車內(nèi)需配備行李架,但在開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的空調(diào)風(fēng)道及行李架無(wú)法滿足窄體客車的需求。因此,本文結(jié)合車型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)一款滿足窄體客車需求的具有行李承載功能的空調(diào)風(fēng)道,并對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析。

1 空間布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 空間布置

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的風(fēng)道及行李架一般左右并排橫向布置,風(fēng)道布置在車頂兩側(cè),中間布置行李架[2],如圖1所示。該布置結(jié)構(gòu)一般適合車內(nèi)寬大于2 m、內(nèi)高大于1.9 m的車型,行李架及風(fēng)道在橫向Y-Z截面的布置空間尺寸(W×L)一般大于650 mm×450 mm。

圖1 傳統(tǒng)風(fēng)道及行李架布置

而本次開(kāi)發(fā)的新車型,車頂內(nèi)寬、內(nèi)高僅有1.7 m左右,行李架及風(fēng)道在Y-Z截面的布置空間尺寸(W×L)不超過(guò)430 mm×350 mm,因此現(xiàn)有的分體式風(fēng)道及行李架不滿足該車型的空間布置需求。經(jīng)過(guò)分析,將空調(diào)風(fēng)道與行李存放區(qū)域進(jìn)行有機(jī)融合(如圖2所示),能夠解決此問(wèn)題。

圖2 窄體客車風(fēng)道與行李架融合布置

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前、后頂部裝飾件與左、右側(cè)冷風(fēng)管道之間采取平滑過(guò)渡設(shè)計(jì),車內(nèi)小行李架封頭可設(shè)計(jì)成封閉的斜面[3]。如圖3所示,風(fēng)道上層結(jié)構(gòu)板與車內(nèi)邊頂內(nèi)飾、中頂內(nèi)飾在車內(nèi)形成一定區(qū)域空間,用來(lái)存放行李,起到行李架的作用;通風(fēng)道的上層結(jié)構(gòu)板、下層結(jié)構(gòu)板通過(guò)鋁型材[4]鉚接在一起,形成密閉的空間來(lái)輸送冷風(fēng),起到風(fēng)道的作用[5]。風(fēng)道總成通過(guò)吊柱用螺栓與車輛頂部骨架連接,用螺釘與車輛側(cè)面骨架連接,增加其強(qiáng)度,用來(lái)承載風(fēng)道自身及存放行李的重量。下層結(jié)構(gòu)板上裝配有常出風(fēng)口與可調(diào)出風(fēng)口,出風(fēng)口的位置根據(jù)座椅布置及人機(jī)工程學(xué)予以排布[6]。在每個(gè)出風(fēng)口附近鉚接支架,既能對(duì)上層結(jié)構(gòu)板起到支撐作用,減小結(jié)構(gòu)變形,又起到對(duì)風(fēng)道內(nèi)空氣的擾流作用,使每個(gè)出風(fēng)口空氣流速均勻。

1-風(fēng)道上層結(jié)構(gòu)板;2-風(fēng)道下層結(jié)構(gòu)板;3-支架;4-可調(diào)出風(fēng)口;5-常出風(fēng)口;6-鋁型材;7-LED燈帶;8-吊柱;9-頂部骨架;10-中頂內(nèi)飾;11-邊頂內(nèi)飾;12-側(cè)面骨架;13-螺栓;14-螺釘

2 風(fēng)道流場(chǎng)分析

2.1 模型建立

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,根據(jù)風(fēng)道數(shù)據(jù)建立分析模型,運(yùn)用計(jì)算機(jī)ANSA和STAR CCM+軟件[7-8],基于CFD數(shù)值模擬方法[9],對(duì)風(fēng)道內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行流體力學(xué)分析。風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

在模型內(nèi)部空氣域生成Trimmer網(wǎng)格,單位長(zhǎng)度3～20 mm左右,單元總數(shù)約38萬(wàn)個(gè),網(wǎng)格連續(xù)、均勻、過(guò)度平緩。風(fēng)道體網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 風(fēng)道體網(wǎng)格模型

從入口輸入空氣,入口邊界為質(zhì)量流量進(jìn)口;出風(fēng)口邊界為壓力出口,輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1。

表1 輸入?yún)?shù)

2.2 結(jié)果分析

通過(guò)仿真計(jì)算,可求出風(fēng)道上各出風(fēng)口的風(fēng)量分配比例,通過(guò)實(shí)車風(fēng)速測(cè)試,數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 吹面風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)量分配比例

風(fēng)道壓力分布如圖6所示,入口處為高壓區(qū),幾處局部低壓區(qū)域(淺色區(qū)域)是由于該處曲率較小,且處于端部,形成氣流分離區(qū)而導(dǎo)致的負(fù)壓區(qū)。

圖6 風(fēng)道表面壓力云圖

圖7為吹面風(fēng)道內(nèi)部流線圖,氣流流動(dòng)紊亂,內(nèi)部流量不均勻,出現(xiàn)偏流現(xiàn)象。

圖7 風(fēng)道內(nèi)部流線圖

2.3 結(jié)論與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)來(lái)看,初始設(shè)計(jì)空調(diào)風(fēng)道結(jié)論如下：

1) 出風(fēng)口1和出風(fēng)口3風(fēng)量分配比例及風(fēng)速稍大,出風(fēng)口4和出風(fēng)口5風(fēng)量分配比例及風(fēng)速略小。

2) 風(fēng)道內(nèi)部出現(xiàn)亂流、偏流現(xiàn)象,氣流不順暢,出風(fēng)速度落差較大。

汽車空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)影響著風(fēng)道中氣流的流動(dòng)阻力、氣動(dòng)噪聲和出風(fēng)指向性[10]。針對(duì)上述分析結(jié)果對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,主要措施如下：

1) 理論與試驗(yàn)結(jié)果表明,客車風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量分配主要由風(fēng)道內(nèi)的靜壓分布決定[11],通過(guò)加大風(fēng)道拐彎處曲率,減小氣流流動(dòng)過(guò)程形成的負(fù)壓區(qū)。

2) 通過(guò)調(diào)整每個(gè)出風(fēng)口附近的支架角度以及到出風(fēng)口的距離,對(duì)風(fēng)道內(nèi)空氣流場(chǎng)進(jìn)行擾動(dòng),使每個(gè)出風(fēng)口出風(fēng)更加均勻,風(fēng)速平穩(wěn)。

3) 通過(guò)加粗主出風(fēng)管直徑,由40 mm調(diào)整為60 mm,減少風(fēng)量損失。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的效果

優(yōu)化后,經(jīng)過(guò)再次仿真計(jì)算質(zhì)量流率,每個(gè)出風(fēng)口風(fēng)量分配更加均勻;另外,從實(shí)車測(cè)試的風(fēng)速數(shù)據(jù)也可以看出每個(gè)出風(fēng)口出風(fēng)速度更加接近,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化后出風(fēng)量分配數(shù)據(jù)

優(yōu)化后風(fēng)道內(nèi)部氣流更加平順,如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后風(fēng)道內(nèi)部流線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要通過(guò)對(duì)客車風(fēng)道及行李架的空間布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提出了一種具有行李承載功能的客車風(fēng)道,并對(duì)其進(jìn)行風(fēng)道流場(chǎng)分析與優(yōu)化,為窄體客車提供了一種布置方案,解決了窄體營(yíng)運(yùn)客車行李架及風(fēng)道設(shè)計(jì)困難的問(wèn)題。