汽车空调风道系统的CFD分析

2014-06-22王丹刘双喜牟江峰张传文

汽车工程师 2014年6期

王丹刘双喜牟江峰张传文

（1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室；2.中国汽车技术研究中心汽车工程院；3.山东省菏泽市规划建筑设计院）

在汽车空调系统中，空调风道分配空气流量，改变气流方向，并使其以一定速度在乘员舱内定向流动，其送风能力的好坏直接影响乘员舱内空气的温度分布和速度分布，从而影响乘车的舒适性[1-2]。在进行汽车空调风道设计时，应尽量减少压力损失和噪声，合理组织气流分配，管道内部应光滑，转弯处应圆滑，尽量避免急转弯，同时尽可能地做到结构简单，制造方便，并与周边部件协调一致[3-4]。CFD 计算能够缩短产品开发周期，降低成品，且能够提供全面准确的信息[5]。文章利用CFD软件对某汽车空调风道进行了仿真计算，对进行汽车空调风道设计时应遵循和考虑的主要要素进行了重点分析，从而为风道结构设计及优化提供指导。

1 CFD模型及计算方法

1.1 几何模型和网格划分

图1 和图2 分别示出汽车空调风道系统的内腔结构和网格模型。汽车空调风道系统主要有暖通空调（HVAC）、空调风道以及出风口。HVAC 采用全制冷模式，内部没有暖风芯体和蒸发器芯体；空调风道采用吹面风道，模型简化了风口模型；出风口采用扩散作用较小的渐扩管，从而降低出风口的出口流速，减小局部阻力系数。

本次计算中，利用有限元分析软件Hypermesh 抽取空调管道系统内表面，进行几何清理和面网格划分。然后导入三维仿真软件STAR-CCM+中，划分体网格，设置边界条件和初始条件，运行计算并进行结果分析。该空调风道系统的体网格为Trim 网格，网格总数约为58×104个。

1.2 数学模型

计算介质为空气，体积质量取值1.184 kg/m3，粘度1.86×10-5Pa/s。流动为不可压缩稳态流动，不考虑温度和压力的影响。模型中，压力和速度的耦合采用SIMPLE 方法，湍流模型采用realizable k-ε 湍流模型，临近壁面的区域采用All y+壁面函数。空调风道系统的入口为质量流动进口，质量流量为0.103 kg/s，入口截面上空气流速均匀分布，垂直于边界。出口为压力出口，出口背压为0。

2 计算结果分析

出风口的风量分配是评价风道是否有效工作的一个重要指标。在实际的汽车空调风道设计中，中间风道主要提供后排座位的风量，侧风道提供主副驾驶座位的风量[6]。图3 示出空调风道出风口流量的比例分配。从图3 中可以看出，空调风道分风合理，中间出风口风量大些，两侧出风相对小些，且驾驶员侧的风量（出风口C 和D）比例比副驾驶一侧（出风口A 和B）稍大。

对于吹面风口来说，一方面要使车厢内的空气尽快冷却或者温暖起来，这就要求出风口出风速度越大越好；另一方面要使长期身处乘员舱内的人们感到舒适，所以风速不能太高，以免产生噪声污染和引起体感不适[7]。一般来说，出风口出风速度在7.5～10.5 m/s 比较适中。图4 示出空调风道出风口相对速度。从图4 中可以看出，4 个出风口的风速值在舒适区间内；中间风道的出风口B 和C 速度分布均匀，2 个风口的最大速度值相当，略小于两侧出风口A 和D 的最大速度值；两侧出风口的速度分布均匀性不好。

图5 示出汽车空调风道系统的速度迹线图，图6示出汽车空调风道截面的速度矢量图。从图5 和图6可以看出，在空调风道流场内，没有涡流产生，流通性能好，最大限度地降低了因涡流造成的能量损失。

图7 和图8 分别示出空调风道表面的压力分布图和速度分布图。从图7 和图8 可以看出，在风道转角处，由于风道流通截面突然变小，速度增加，形成低压区，压力损失增大。4 组出风口与进风口的压差均约为100 Pa。在风道设计中，应尽量减少风道管径变化，平滑风道转弯，减少高低压区的存在，降低空调风管的压力损失。