汽車乘員艙吹腳性能分析及優(yōu)化

張 騫，王 浩，王大健

（南京協(xié)眾汽車空調(diào)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211100）

1 引言

目前，由于汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，各大主機(jī)廠對(duì)汽車性能的每個(gè)點(diǎn)都要求非常嚴(yán)格，之前沒(méi)那么重要的性能現(xiàn)在都開始著重研究及優(yōu)化。電動(dòng)汽車具有可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的特點(diǎn)，受到國(guó)際汽車行業(yè)的普遍重視，近年來(lái)得到了快速發(fā)展，但是，電動(dòng)汽車在冬季使用過(guò)程中（尤其在寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)），采暖問(wèn)題對(duì)其發(fā)展具有一定的制約性。隨著熱泵技術(shù)的成熟與普及，新能源汽車的采暖性能被大大提高，同時(shí)也提升了新能源汽車的行駛里程?？晒馐翘嵘偟男旭偫锍淌遣荒軡M足使用需求的，市場(chǎng)已對(duì)汽車空調(diào)采暖性能提出了新的要求，即在有限的能量范圍內(nèi)，提高吹腳性能暖風(fēng)利用率，提升空調(diào)箱吹腳性能的效率。所以，本文著重通過(guò)CFD仿真分析，不斷優(yōu)化吹腳風(fēng)道，提高乘員艙主副駕吹腳性能。

本文以某款新開發(fā)的新能源汽車空調(diào)箱為研究基礎(chǔ)，空調(diào)吹腳性能目標(biāo)要求主要有以下幾點(diǎn)，其中，吹腳性能都按單腳風(fēng)道360×22%m3/h的總風(fēng)量分析。

1）風(fēng)道風(fēng)阻：＜80Pa。

2）前排吹腳風(fēng)道的導(dǎo)向性及風(fēng)速覆蓋率：主副駕腳部吹風(fēng)落點(diǎn)為腳踝，腳面風(fēng)速≥3m/s的覆蓋面積≥60%；主副駕腿部吹風(fēng)落點(diǎn)為腳踝到膝蓋之間，從下往上三分之一處，風(fēng)速達(dá)到2m/s，覆蓋面積≥10%。

3）吹腳風(fēng)口風(fēng)量分配：主駕（L1+L11）∶L2∶（L3+L31）=60%∶10%∶30%；副駕（R1+R11）∶R2∶（R3+R31）=50%∶10%∶40%。吹腳風(fēng)道各風(fēng)口示意如圖1所示。

圖1 吹腳風(fēng)道各風(fēng)口示意圖

4）吹腳出風(fēng)口風(fēng)速：4～7m/s。

5）風(fēng)道內(nèi)最高風(fēng)速：NVH要求≤12m/s，最大不超過(guò)15m/s。

2 仿真分析

CFD仿真模型如圖2所示，由于缺少主機(jī)廠提供的乘員艙數(shù)據(jù)，CFD簡(jiǎn)化左右2個(gè)Box代替乘員艙數(shù)據(jù)，仿真模型必須帶空調(diào)箱數(shù)模進(jìn)行分析，否則進(jìn)入前吹腳風(fēng)道的流場(chǎng)信息與實(shí)際存在差異，影響分析結(jié)果。

圖2 CFD仿真模型

3 仿真結(jié)果

由于Starccm+軟件分析的壁面速度都為0，故腳面風(fēng)速都采用近壁面風(fēng)速代替。因近壁面風(fēng)速受到邊界層厚度及層數(shù)的影響非常大，所以假人腳面邊界層設(shè)置顯得非常重要，首先對(duì)比一下假人腳面不同邊界層設(shè)置的結(jié)果。

圖3仿真模型假人腳面邊界層設(shè)置為：3層，1.2增長(zhǎng)率，3mm厚度；圖4仿真模型假人腳面邊界層設(shè)置為：1層，1.5增長(zhǎng)率，2mm厚度。從Starccm+原理得知，近壁面風(fēng)速即為第1層邊界層中心點(diǎn)風(fēng)速，所以圖3是腳面0.4mm處風(fēng)速，圖4是腳面1mm處風(fēng)速。根據(jù)以往實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)標(biāo)分析，1mm處近壁面風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速更吻合，所以本次接下來(lái)仿真模式設(shè)置假人腳面邊界層都采用1層，2mm厚度?；A(chǔ)模型仿真結(jié)果如下。

圖3 假人腳面0.4mm處風(fēng)速云圖

圖4 假人腳面1mm處風(fēng)速云圖

1）風(fēng)道風(fēng)阻：主駕為63Pa；副駕為70Pa。

2）前排吹腳風(fēng)道的導(dǎo)向性及風(fēng)速覆蓋率：主駕左腳為30%，主駕右腳為32%；副駕左腳為72%，副駕右腳為35%。

3）主副駕腿部：主駕左腿為2%，主駕右腿為3%；副駕左腿為20%，副駕右腿為25%。

4）吹腳風(fēng)口風(fēng)量分配：主駕（L1+L11）∶L2∶（L3+L31）=56%∶8%∶36%；副駕（R1+R11）∶R2∶（R3+R31）=43%∶12%∶45%。

5）吹腳出風(fēng)口風(fēng)速：主駕為6.7m/s，副駕為6.4m/s。

6）風(fēng)道內(nèi)最高風(fēng)速：主駕為13.5m/s，副駕為13.1m/s。

從仿真結(jié)果可以看出，除了腳面風(fēng)速覆蓋率，其他基本滿足目標(biāo)要求，然而腳面風(fēng)速覆蓋率也是最難優(yōu)化的。

4 風(fēng)道優(yōu)化

假人腳面風(fēng)速落點(diǎn)處示意如圖5所示，圖5中黑圈處即為風(fēng)速落點(diǎn)處位置，可以通過(guò)調(diào)整風(fēng)道的角度來(lái)調(diào)整落點(diǎn)的位置，以便增大腳面風(fēng)速覆蓋率。

圖5 假人腳面風(fēng)速落點(diǎn)處示意圖

從假人腳面切面速度云圖可以看出，主駕左腳、副駕右腳的風(fēng)速明顯偏外側(cè)，外側(cè)風(fēng)量富余較大，所以優(yōu)化方向應(yīng)該將風(fēng)口導(dǎo)向向腳面內(nèi)側(cè)移動(dòng)，如圖6中黑色箭頭示意的方向。優(yōu)化后分析結(jié)果如下。

圖6 假人腳面切面速度云圖

1）風(fēng)道風(fēng)阻：主駕為66Pa；副駕為72Pa。

2）前排吹腳風(fēng)道的導(dǎo)向性及風(fēng)速覆蓋率：主駕左腳為85%，主駕右腳為80%；副駕左腳為78%，副駕右腳為83%。

3）主副駕腿部：主駕左腿為40%，主駕右腿為15%；副駕左腿為18%，副駕右腿為21%。

4）吹腳風(fēng)口風(fēng)量分配：主駕（L1+L11）∶L2∶（L3+L31）=59%∶9%∶32%；副駕（R1+R11）∶R2∶（R3+R31）=47%∶11%∶42%。

5）吹腳出風(fēng)口風(fēng)速：主駕為6.5m/s，副駕為6.6m/s。

6）風(fēng)道內(nèi)最高風(fēng)速：主駕為13.6m/s，副駕為13.3m/s。

調(diào)整風(fēng)道各風(fēng)口角度后，吹腳各項(xiàng)性能基本滿足目標(biāo)要求。從圖7速度云圖可以看出，假人腳面風(fēng)速均勻性非常好，腳面風(fēng)速大于3m/s風(fēng)速面積基本達(dá)到了80%，大大提高了采暖利用率，在采暖階段，能夠快速提升駕乘人員的腳部溫度。

圖7 優(yōu)化后假人腳面切面速度云圖

在優(yōu)化好假人腳面風(fēng)速覆蓋率及各項(xiàng)流場(chǎng)性能后，需要進(jìn)一步進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，分析假人腳面溫度場(chǎng)是否滿足設(shè)計(jì)要求及主觀性能評(píng)價(jià)。

5 溫度場(chǎng)分析

進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，要確認(rèn)好分析工況與分析要求一致，以及入口溫度、環(huán)境溫度等，由于風(fēng)道的導(dǎo)熱系數(shù)未知，本次溫度場(chǎng)仿真未考慮風(fēng)道與環(huán)境的換熱，所以仿真結(jié)果會(huì)偏高于試驗(yàn)結(jié)果。

從圖8可以看出，主駕左右腳面溫度分布基本均勻，右腳溫度略高于左腳，腳尖溫度略低于腳面溫度，總體來(lái)說(shuō)主駕腳面的溫度均勻性較好，滿足目標(biāo)要求。因主駕右腳活動(dòng)范圍較大，今后將結(jié)合實(shí)車感受確定是否需要對(duì)吹腳風(fēng)道進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，同步采集腳面溫度實(shí)測(cè)值，對(duì)比仿真精度。

圖8 主駕腳面溫度場(chǎng)云圖

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)乘用車吹腳風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化，改善了駕乘人員腳部流場(chǎng)，使得吹腳各項(xiàng)性能滿足目標(biāo)要求，最直觀的體現(xiàn)就是改善了駕乘人員的主觀感受，使得駕乘人員在駕駛車輛時(shí)腳部的風(fēng)速、溫度都非常舒適。一個(gè)好的吹腳性能，間接影響了整車的能源利用率，在冬季采暖工況下，可以在一個(gè)較小風(fēng)量下，達(dá)到一個(gè)舒適的腳部溫度，而不是一味地通過(guò)增大風(fēng)量來(lái)提升腳部溫度。所以對(duì)于新能源汽車來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的吹腳性能至關(guān)重要，它不僅影響了駕乘人員的主觀感受，更能間接影響整車能源的利用率，對(duì)提升整車行駛里程有著重大意義。