新能源汽車空調(diào)箱風(fēng)門嘯叫問題排查及流場(chǎng)優(yōu)化

付 余

艾泰斯熱系統(tǒng)研發(fā)（上海）有限公司

0 引言

近年來，隨著節(jié)能環(huán)保要求越來越高，汽車行業(yè)也在從傳統(tǒng)汽車向新能源汽車發(fā)展。隨著新能源汽車技術(shù)和智能駕駛技術(shù)的飛速發(fā)展，純電汽車和混動(dòng)汽車成了越來越多人的選擇，人們對(duì)汽車的需求已經(jīng)不僅僅滿足于簡(jiǎn)單代步，更追求舒適放松的駕乘體驗(yàn)，汽車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH，Noise、Vibration、Harshness）作為衡量汽車制造水平和駕乘體驗(yàn)的綜合性指標(biāo)［1］，越來越受到整車石和上游供應(yīng)商的重視。

與傳統(tǒng)汽車相比，純電動(dòng)汽車使用三電系統(tǒng)取代傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)等相關(guān)動(dòng)力單元，發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)排氣系統(tǒng)的消失使得汽車整體噪聲水平大幅降低，空調(diào)系統(tǒng)的噪聲問題隨之更加凸顯［2］。作為空調(diào)系統(tǒng)供應(yīng)商，在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)噪聲控制水平的要求也越來越高。噪聲問題的識(shí)別方法包括主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試，噪聲問題的識(shí)別及優(yōu)化更多的是依賴試驗(yàn)。而隨著新能源汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力的增加，項(xiàng)目周期越來越短，設(shè)計(jì)質(zhì)量要求越來越高，在試驗(yàn)資源有限的情況下，更要求工程師在設(shè)計(jì)初期盡量規(guī)避可能產(chǎn)生的設(shè)計(jì)問題，因此，仿真計(jì)算在設(shè)計(jì)過程中的作用愈發(fā)重要。而噪聲仿真計(jì)算與流場(chǎng)仿真計(jì)算相比，計(jì)算模型更大，網(wǎng)格劃分的精度要求更高，網(wǎng)格數(shù)量更多，模型處理更為復(fù)雜，計(jì)算周期更長(zhǎng)，計(jì)算準(zhǔn)確度不如流場(chǎng)計(jì)算高。對(duì)于空調(diào)箱設(shè)計(jì)，由氣流變化引起的噪聲問題，我們更希望通過對(duì)比流場(chǎng)特性，從流場(chǎng)上分析問題產(chǎn)生的機(jī)理，在設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)潛在的噪聲風(fēng)險(xiǎn)，并通過CFD 計(jì)算，篩選出可行的優(yōu)化方案，減少試驗(yàn)次數(shù)，縮減研發(fā)周期。

對(duì)于純電動(dòng)車空調(diào)箱的設(shè)計(jì)而言，主要關(guān)注的噪聲問題有以下三種，鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)噪聲、葉輪的BPF（Blade Passing Frequency）噪聲以及氣流噪聲。風(fēng)門嘯叫問題是屬于氣流噪聲問題，其成因與風(fēng)門附近的流場(chǎng)有著密切聯(lián)系，風(fēng)門設(shè)計(jì)和風(fēng)門位置對(duì)嘯叫具有決定性作用［3］。通過分析風(fēng)門小角度流場(chǎng)特性，進(jìn)行風(fēng)門附近結(jié)構(gòu)優(yōu)化。以某純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)箱設(shè)計(jì)為例，針對(duì)空調(diào)箱異響排查試驗(yàn)中出現(xiàn)的風(fēng)門小角度嘯叫問題，確定試驗(yàn)排查方法，制定通用的風(fēng)門嘯叫產(chǎn)生位置試驗(yàn)排查流程，并通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理（CFD）仿真計(jì)算，從流場(chǎng)上分析嘯叫形成的原因，拆解嘯叫形成的影響因素，提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并通過仿真計(jì)算對(duì)比多個(gè)優(yōu)化方案的流場(chǎng)，分析其可行性及優(yōu)化效果，最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。旨在通過流場(chǎng)仿真計(jì)算，分析風(fēng)門小角度嘯叫形成的要素，在前期設(shè)計(jì)過程中規(guī)避嘯叫的形成，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間及成本，更好地滿足客戶的設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

1 空調(diào)箱結(jié)構(gòu)介紹及嘯叫問題現(xiàn)象說明

1.1 某純電動(dòng)汽車空調(diào)箱結(jié)構(gòu)介紹

根據(jù)該電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，空調(diào)箱為三區(qū)空調(diào)箱，由進(jìn)風(fēng)箱、鼓風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、分配箱組成（如圖1），其中分配箱包括內(nèi)部冷凝器、高壓PTC、各模式風(fēng)門、上下旁通風(fēng)門及前后分區(qū)風(fēng)門（如圖2）。對(duì)空調(diào)系統(tǒng)而言，外界空氣在鼓風(fēng)機(jī)作用下進(jìn)入者PTC 的功率來實(shí)現(xiàn)不同出風(fēng)口的溫度調(diào)節(jié)。上下旁通風(fēng)門的作用是在吹面吹腳模式，實(shí)現(xiàn)冷熱混風(fēng)，保證吹面出風(fēng)口和吹腳出風(fēng)口的溫差（不同項(xiàng)目舒適度標(biāo)定要求不同，吹面吹腳溫差要求不同，本項(xiàng)目要求在試驗(yàn)工況下，吹面溫度不超過30 ℃，吹面溫度低于吹腳溫度8～15 ℃）。本項(xiàng)目為了實(shí)現(xiàn)吹面吹腳模式上、下溫差的要求，上下旁通風(fēng)門開度較小，上旁通風(fēng)門開度為6°，風(fēng)門與風(fēng)門擋之間的間隙為3 mm。下旁通風(fēng)門開度為8°，風(fēng)門與風(fēng)門擋之間的間隙為5 mm。

圖1 空調(diào)箱組成示意

圖2 分配箱中風(fēng)門介紹

1.2 嘯叫問題現(xiàn)象說明

在空調(diào)箱氣流異響檢查時(shí)，吹面吹腳（Bilevel）模式下，上旁通風(fēng)門從全關(guān)位置逐漸打開的過程中，當(dāng)風(fēng)門軟膠離開風(fēng)門擋到風(fēng)門軟膠離開同心圓區(qū)域（風(fēng)門開度約12°時(shí)，出現(xiàn)嘯叫的風(fēng)門形成區(qū)間如圖3 所示），鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量從最小擋位到最大擋位，均出現(xiàn)氣流“吹口哨”的聲音，即高頻的氣流嘯叫聲，隨著風(fēng)量的增加，氣流嘯叫的聲音更加尖銳、明顯。同時(shí)，吹面吹腳模式下，風(fēng)門從全開到全關(guān)的HVAC 空腔，然后通過蒸發(fā)器、內(nèi)部冷凝器及高壓PTC 后從空調(diào)箱各模式風(fēng)門（吹面風(fēng)門、吹腳風(fēng)門、除霜風(fēng)門）到空調(diào)箱各出風(fēng)口，從而實(shí)現(xiàn)制冷、采暖、過濾等功能。通過各風(fēng)門的配合，實(shí)現(xiàn)不同的模式組合。

圖3 風(fēng)門嘯叫行程范圍示意

與傳統(tǒng)汽車空調(diào)箱相比，空調(diào)箱的冷源均為蒸發(fā)器，而熱源則由傳統(tǒng)車的暖心，變?yōu)閮?nèi)部冷凝器和高壓PTC，對(duì)空調(diào)箱的溫度控制來說，取消了傳統(tǒng)汽車空調(diào)箱的溫度風(fēng)門，通過調(diào)節(jié)內(nèi)部冷凝器或過程中，當(dāng)風(fēng)門軟膠進(jìn)入殼體下部同心圓區(qū)域到風(fēng)門全關(guān)，嘯叫聲音明顯，且隨著鼓風(fēng)機(jī)擋位升高，嘯叫聲愈尖銳。

2 空調(diào)箱風(fēng)門小角度嘯叫排查流程

根據(jù)上述嘯叫問題現(xiàn)象，首先鎖定風(fēng)門嘯叫產(chǎn)生的風(fēng)門角度范圍，本項(xiàng)目產(chǎn)生嘯叫的風(fēng)門角度范圍為風(fēng)門離開門擋到風(fēng)門軟膠離開風(fēng)門底部同心圓區(qū)域，風(fēng)門開角為4°～16°（上旁通風(fēng)門全關(guān)時(shí)的過壓角度），角度區(qū)間為12°。

其次進(jìn)行風(fēng)門嘯叫產(chǎn)生的具體位置排查。上旁通風(fēng)門由同軸連接的左右兩個(gè)風(fēng)門組成，風(fēng)門與殼體之間共形成8條間隙，參照對(duì)風(fēng)門的位置，可分別命名為上邊、下邊、左邊和右邊，如圖4 所示。鎖定對(duì)嘯叫形成有貢獻(xiàn)的間隙，需對(duì)這個(gè)間隙進(jìn)行排查，排查的方法采用逐邊排除法，將上旁通風(fēng)門開至產(chǎn)生嘯叫的角度區(qū)間，選定要排查的邊（上邊或下邊或左邊或右邊），用膠帶將其余邊封住，保證不透風(fēng)，在此狀態(tài)下，開啟鼓風(fēng)機(jī)，判斷嘯叫聲音是否存在，若嘯叫消失，則該邊對(duì)嘯叫聲音形成無貢獻(xiàn)；若聲音存在，則該邊對(duì)嘯叫的形成有貢獻(xiàn)，需判斷該邊是否為嘯叫形成的唯一貢獻(xiàn)邊，即僅將選定邊封堵，判斷嘯叫聲是否存在，若聲音消失，選定邊為唯一貢獻(xiàn)邊，若聲音存在，則其他邊對(duì)嘯叫依然有貢獻(xiàn)，在當(dāng)前狀態(tài)下，在其余未封堵的邊中重新選定排查邊，重復(fù)上述單邊貢獻(xiàn)位置鎖定的排查流程，直到找出全部對(duì)嘯叫有貢獻(xiàn)的邊?；谝陨巷L(fēng)門嘯叫問題排查流程，總結(jié)整理氣流嘯叫問題位置鎖定的排查流程如圖5所示。

圖4 嘯叫位置排查流程示意圖

圖5 嘯叫位置排查流程示意圖

本文研究項(xiàng)目的風(fēng)門嘯叫問題，通過對(duì)風(fēng)門上邊、下邊、左邊及右邊間隙進(jìn)行嘯叫排查，僅在風(fēng)門下邊有間隙，其他三邊密封的狀態(tài)下，“吹口哨”似的氣流嘯叫聲存在，鎖定產(chǎn)生嘯叫的間隙為上旁通風(fēng)門的下邊。

3 CFD流場(chǎng)計(jì)算分析及優(yōu)化方案流場(chǎng)計(jì)算

采用有限體積法對(duì)分配箱進(jìn)行仿真計(jì)算，以重整化群（RNG）k-ε 湍流模型［4］結(jié)合（Scalable）壁面函數(shù)［5］得到初始流場(chǎng)，本文仿真計(jì)算模型為空調(diào)箱蒸發(fā)器后至空調(diào)箱出風(fēng)口位置，計(jì)算模型及邊界設(shè)置如圖6 所示。仿真計(jì)算工況為吹面吹腳模式（Bilevel 模式），上下旁通風(fēng)門為嘯叫產(chǎn)生時(shí)的最小開度（4°），計(jì)算邊界為流量入口，空調(diào)箱出風(fēng)口為壓力出口。仿真計(jì)算采用雙精度，二階格式SIMPLE 算法［6］。

圖6 計(jì)算模型及邊界

3.1 原始方案嘯叫工況下流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

原始方案上旁通風(fēng)門軟膠上下為1.5 mm 小鋸齒，齒間到空調(diào)箱殼體的間隙為2.5 mm。上旁通風(fēng)門結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 上旁通風(fēng)門原始方案

在吹面吹腳模式下，分別計(jì)算上旁通風(fēng)門開度為4°和開度16°時(shí)，即嘯叫產(chǎn)生的初始位置和嘯叫消失的位置兩種狀態(tài)下空調(diào)箱的流場(chǎng)。嘯叫的產(chǎn)生與通過上旁通風(fēng)門下部間隙的最大速度、流經(jīng)通過上旁通風(fēng)門后流場(chǎng)的速度分布密切相關(guān)。分析上旁通風(fēng)門附近的流場(chǎng)，總結(jié)如下：

1）上旁通風(fēng)門開度為4°時(shí)，風(fēng)門與門擋最小間隙為1 mm，上旁通風(fēng)門下部間隙最大速度為25.3 m/s，從圖8 流場(chǎng)形態(tài)來看，氣流通過上旁通風(fēng)門與門擋間隙后，經(jīng)過上旁通風(fēng)門下部與殼體同心圓的間隙，平順（無阻礙）地吹入到相對(duì)速度較低的空調(diào)箱上部空間，形成了“吹瓶子”效應(yīng)，此狀態(tài)下嘯叫明顯。特征截面速度分布云圖見圖8。

圖8 上旁通風(fēng)門開度4°時(shí)特征截面速度分布云圖

2）上旁通風(fēng)門開度為16°時(shí)，上旁通風(fēng)門附近的最小間隙為風(fēng)門下部與殼體同心圓處的間隙為3 mm，上旁通風(fēng)門下部間隙最大速度為22.6 m/s，從圖9流場(chǎng)形態(tài)來看，上旁通風(fēng)門下游腔體內(nèi)氣流速度相對(duì)速度較高，與風(fēng)門開度4°時(shí)相比，上旁通風(fēng)門與殼體間隙增加，最大速度降低，上旁通風(fēng)門下游腔內(nèi)氣流擴(kuò)散更充分，且下游腔體內(nèi)氣流速度較高，此狀態(tài)下無嘯叫。特征截面速度分布云圖見圖9。

圖9 上旁通風(fēng)門開度16°時(shí)特征截面速度分布云圖

綜上所述，結(jié)合該項(xiàng)目中上旁通風(fēng)門的布置位置及風(fēng)門開啟后氣流流動(dòng)特點(diǎn)，總結(jié)出形成嘯叫的主要影響因素為流經(jīng)上旁通風(fēng)門下邊的最大速度和下游氣流通路是否順暢，形成“吹瓶子”效應(yīng)。該項(xiàng)目在該工況下，解決嘯叫問題可從兩個(gè)方向入手，第一是降低上旁通風(fēng)門下邊流速，控制上旁通風(fēng)門附近最大流速不超過22 m/s，第二是阻擋氣流通路，改變高速氣流平順吹出方向，增大風(fēng)門下游氣流擴(kuò)散面積。據(jù)此提出以下3種優(yōu)化方案見圖10。

圖10 上旁通風(fēng)門優(yōu)化方案示意圖

1）方案1：改變風(fēng)門軟膠的風(fēng)門底部與殼體間隙，風(fēng)門軟膠采用3 mm深鋸齒。

2）方案2：改變風(fēng)門軟膠的風(fēng)門軟膠底部的形狀，風(fēng)門軟膠采用1.5 mm矩形鋸齒。

3）方案3：改變風(fēng)門下部氣流方向，在殼體同心圓中間位置加1 mm高的擋筋。

3.2 嘯叫優(yōu)化方案流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

在吹面吹腳模式下，上旁通風(fēng)門開度為4°時(shí)，分別計(jì)算三種優(yōu)化方案該工況時(shí)的流場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表1。

表1 優(yōu)化方案流場(chǎng)對(duì)比分析

綜合以上最大速度及流場(chǎng)分布云圖分析，方案1 和方案3 最大速度小于22 m/s，且上旁通風(fēng)門后側(cè)流場(chǎng)較原始方案擴(kuò)散更充分，但方案3 風(fēng)門行程到擋筋位置時(shí)，無法做到風(fēng)門軟膠與擋筋表面零貼近，小間隙依然存在嘯叫風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)對(duì)比，選擇方案1作為優(yōu)化方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

3D 打印方案1 上旁通風(fēng)門軟膠3 mm 深鋸齒風(fēng)門，在吹面吹腳模式下，上旁通風(fēng)門行程從全關(guān)逐步到全開，再?gòu)娜_到全關(guān)，重點(diǎn)關(guān)注上旁通風(fēng)門嘯叫行程（4°～16°）內(nèi)是否存在嘯叫，經(jīng)驗(yàn)證，方案1風(fēng)門嘯叫消失，與仿真分析結(jié)論一致。

5 結(jié)論

針對(duì)空調(diào)箱風(fēng)門小角度氣流嘯叫問題，通過上文試驗(yàn)研究及仿真分析，可得出以下結(jié)論：

1）解決空調(diào)箱風(fēng)門小角度氣流嘯叫問題需通過試驗(yàn)排查確定嘯叫產(chǎn)生的具體位置，嘯叫排查流程需形成閉環(huán)，保證嘯叫產(chǎn)生位置查找的準(zhǔn)確性。

2）風(fēng)門小角度氣流嘯叫的產(chǎn)生與通過上旁通風(fēng)門下部間隙的最大速度、流經(jīng)通過上旁通風(fēng)門后流場(chǎng)的速度分布密切相關(guān)，可通過流場(chǎng)分析確定嘯叫產(chǎn)生的最大速度及流場(chǎng)分布特征，在設(shè)計(jì)前期規(guī)避問題，篩選優(yōu)化方案等。

綜上所述，采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，解決空調(diào)箱風(fēng)門小角度嘯叫問題主要根據(jù)嘯叫產(chǎn)生位置的流場(chǎng)特性，從流場(chǎng)分析角度解決風(fēng)門小角度嘯叫問題。通過控制嘯叫位置附近最大流速及下游流場(chǎng)形態(tài)，在設(shè)計(jì)前期預(yù)判嘯叫問題的發(fā)生，提出優(yōu)化方案。積累相關(guān)類型風(fēng)門底部軟膠形式設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在空調(diào)箱設(shè)計(jì)階段規(guī)避問題?？偨Y(jié)了風(fēng)門小角度氣流嘯叫問題的試驗(yàn)排查流程，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。后續(xù)可嘗試設(shè)計(jì)異型及不規(guī)則的風(fēng)門軟件形式或在殼體上增加凸起以改變氣流方向等思路來解決相關(guān)問題。