顶置空调迎风式冷凝器回流分析与改善

2020-11-03章嵩松

客车技术与研究 2020年5期

章嵩松

(上海加冷松芝汽车空调股份有限公司，上海 201100)

对于顶置客车空调迎风式冷凝器，通常采用前置安装方式来保证其在客车行驶过程中的换热性能。但是基于整车布置的要求，有时会发生迎风式冷凝器后置安装的情况，从而造成冷凝器发生回流，影响冷凝器效果[1-3]，对空调以及整车的能耗和制冷影响较大[4-6]。本文应用CFD技术，采用Fluent软件对迎风式冷凝器后置安装时的回流现象进行分析，考察车速对回流现象的影响，并通过提升风机高度来改善回流现象。

1 冷凝器回流分析

1.1 几何模型与网格划分

为更加真实地反映冷凝器外部气流特征，需要将整车和空调蒸发器一起考虑。但整车和蒸发器部分只考虑其外部轮廓对流场的影响。由于模型左右对称，采用1/2右侧模型为研究对象，半边车辆尺寸为8 000 mm×1 200 mm×2 400 mm，半边空调尺寸为 2 400 mm×950 mm×320 mm，空调与车顶最大间隙高度为65 mm。如图1所示，坐标系原点位于冷凝器左下角。外流场计算域为80 m×6 m×12 m，入口距车头3倍车长，出口距车尾6倍车长。位于模型对称线上的风机称为中心风机，风机中心截面坐标为Y=0 m；边上的风机称为侧翼风机，风机中心截面坐标为Y=0.38 m。由于冷凝器内置构件较多，不利于结构化网格划分，故计算域全部采用非结构化网格，空调及其上方1.5 m范围内计算域网格尺寸为15～50 mm；远场域网格尺寸为100～300 mm；总体网格数约为800万个。

图1 1/2右侧车辆模型计算域网格示意图

1.2 边界条件

进口采用速度进口，与车速保持一致；出口采用压力出口[7]，表压为0 Pa。冷凝器采用管片式芯体，1/2右边芯体尺寸为725 mm×504 mm×78 mm。由于翅片数量较多，所需网格数太大。为了减小计算量，需事先模拟计算出芯体压降[8-10]。采用多孔介质模型对芯体进行简化，Fluent软件中输入的粘性阻力系数和惯性阻力系数通过芯体压降和芯体迎面风速的关系拟合得出。芯体计算模型及其边界条件如图2所示。其中铜管外径为7 mm，相邻铜管间距横排和竖排分别为21 mm和13 mm，采用波纹型翅片，翅片间距为2.1 mm，模拟结果见表1。冷凝风机采用fan边界条件，通过拟合风机性能曲线，得到关系式ΔP=458.4-46u，其中ΔP为风机压头损失，单位为Pa；u为通过风机的气流流速，单位为m/s。

图2 芯体计算模型及边界条件

表1 芯体压降模拟值

1.3 不同工况下模拟计算分析

1) 在静态工况下，冷凝器进风总量模拟值为 5 760 m3/h，实测风量为6 000 m3/h，模拟值与实验值误差为4.2%。说明本文采用的多孔介质模型和fan模型是可行的。

2) 动态工况考察车速为60 km/h，冷凝器不同风机中心截面流线图如图3所示。左下角空白区域为空调冷凝器，其上边线为冷凝风机所在位置(Z=0.32 m)，右边线为冷凝器进风口所在位置(X=0.61 m)。图3(a)中，中心风机无明显回流现象；图3(b)中，侧翼风机发生较明显的回流现象，冷凝风机出风气流受车速的影响，回流至冷凝器进风口，不仅导致冷凝器进风温度升高，还会影响冷凝器进风总量，后续回流现象的分析只考察侧翼风机。

(a) 中心风机(Y=0 m)

(b) 侧翼风机(Y=0.38 m)

1.4 不同车速下的模拟计算结果

模拟侧翼风机中心截面分别在车速为20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h时空调外流场流线，部分流线图如图4所示。其中，X轴和Z轴分别代表空调外流场水平距离和高度；X负向为车辆行驶方向，Z正向为冷凝风机出风方向。图4(a)中，车速较低，风机出来的大部分气流流向车后，很少一部分气流回流至冷凝器进风口；图4(b)中，随着车速增加，空调右上方气流漩涡消失，风机右侧气流回流至冷凝器进风口，回流现象明显；图4(c)中，车速达到100 km/h，冷凝器进风口外侧产生较大的气流漩涡，将严重阻碍外界气流进入冷凝器内部，降低冷凝器进风总量。从模拟结果来看，在动态工况下，冷凝器回流较强区域水平最大范围大约位于X=1 m处，高度最大范围大约位于Z=0.5 m处。

(a) 车速20 km/h

(b) 车速40 km/h

图4中，选取冷凝风机出风面所在高度(Z=0.32 m)，起始点位于冷凝器进风口附近(X=0.65 m)，X轴坐标值与图5一致，沿X正向考察回流区域不同位置下气流Z向风速，结果如图5所示：X轴坐标值越大，代表与冷凝器出风口距离越大；Z负向速度代表速度矢量方向与冷凝风机出风方向相反，Z负向速度越大，表示回流强度越强。

图5 不同车速下空调外流场回流区域Z向风速

在静态工况下，随着X向坐标值的增加，Z负向速度逐渐降低，说明越靠近冷凝器进风口，气流阻力越小，外界气流更易进入冷凝器内部。

当车速为20 km/h时，由于部分气流在空调右上方形成漩涡，随着X向坐标值的增加，Z负向速度呈现先增大后降低的趋势，Z负向速度相比静态工况下有所增加，说明冷凝器外部存在一定程度的回流。当车速继续增大，随着X向坐标值的增加，Z负向速度逐渐增大，说明在回流区域内，越远离冷凝器进风口，气流回流速度越大。随着车速的进一步增大，这种现象表现得越明显。同时，在X轴同一位置，随着车速增大，靠近冷凝器进风口，回流风速有一定程度的降低，主要是在冷凝器进风口存在不同程度的气流漩涡所致；而远离冷凝器进风口，回流风速会增大，回流强度明显加强。

表2是不同车速下冷凝器进风总量。当车速低于60 km/h时，随着车速的增加，风量衰减较快。

表2 不同车速下冷凝器进风总量

总体来看，侧翼风机回流较强区域：水平最大范围大约位于X=1 m处，高度最大范围大约位于Z=0.5 m处。随着车速的增大，越靠近冷凝器进风口，回流强度会有一定程度的降低，越远离冷凝器进风口，回流强度越大。同时，随着车速的增大，冷凝器进风总量降低。当车速为100 km/h时，相比静态工况冷凝器进风总量下降幅度达到17.5%。

2 冷凝器回流改善

结合车辆实际运行情况，选取车速60 km/h工况进行回流现象的改善。空调和整车相对位置保持不变，只在风机下方添加垫圈，通过提升冷凝风机高度来降低回流现象对冷凝器的影响，设定风机垫圈的高度为H，使H分别为10～70 mm，中间间隔为10 mm。图6是部分风机提升高度后的侧翼风机中心截面流线图。当H较小时，气流流线变化并不明显；当H进一步增加时，在冷凝器进风口上方开始形成气流漩涡，但是对冷凝器进风通道影响较小；当H较大时，冷凝器进风口上方的气流漩涡又消失。

(a) H=20 mm

(b) H=50 mm

图6中，选取冷凝风机出风面所在高度(Z=0.32 m)，起始点位于冷凝器进风口附近(X=0.65 m)，X轴坐标值与图7一致，沿X正向考察回流区域不同位置下气流Z向风速，结果如图7所示。当H小于40 mm，在X轴相同位置，随着风机提升高度的增加，Z负向速度减小，气流回流速度降低，说明通过提升风机高度可以改善回流现象。当H为40～60 mm时，由于气流在冷凝器上方形成漩涡，靠近冷凝器进风口气流流速表现为Z正向风速，说明冷凝器上方气流漩涡的存在对于减弱气流回流强度是有利的；而远离冷凝器进风口的Z负向速度降低明显。当H为70 mm时，气流漩涡消失，Z负向速度又开始增大。