某SUV车型乘员舱气流均衡性分析

郭亚朝 王文龙 梁正伟 杨丽 刘德春

（长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心）

随着汽车产品的逐渐升级，消费者对舒适度要求逐渐提高。为提高产品竞争力，需要在整车开发过程中保证乘员舱内气流均衡性，防止乘员产生过冷过热等不适感受，得到较好的乘员舒适性。在产品开发过程中应用CFD仿真技术识别和规避风险，进行设计方案验证和优化，能够很大程度上降低产品开发成本缩短开发周期。文章基于某SUV车型进行乘员舱内气流均衡性CFD仿真分析和结构优化，最终在整车上实现了良好的热舒适性。

1 理论基础

CFD仿真是基于质量守恒、牛顿第二定律及能量守恒3个流体运动基本原理，其数学描述为连续性方程、动量方程和能量方程[1]。文章为冷态流场分析，不涉及能量方程。

在湍流数值模拟方法中标准的k-ε模型是经典的双方程模型，在当前仿真分析中广泛应用，其中包含k和ε2个未知量，对应的输运方程为[1]：

式中：Gk，Gb——平均速度梯度和浮力引起的湍动能的产生项，kg/（m·s3）；

YM——可压湍流中脉动扩张的影响，kg/（m·s3）；

C1ε，C2ε，C3ε——经验常数；

Sk，Sε——用户定义的源项，kg/（m·s3）；

ρ——流体体积质量，kg/m3；

ε——湍流耗散率，m2/s3；

k——湍动能，J/kg；

ui——i方向上的速度分量，m/s；

t——时间，s；

μ，μt——流体动力粘度和湍动粘度，Pa·s；

σk，σε——湍动能和耗散率的prandtl数。

2 设计目标

因为不同国家的消费者对舒适度要求不同，所以必须保证乘员舱气流均衡性，相应的设计目标如下。

1）出风范围要求：铅垂方向，极上位置吹到人头部以上，目标角度为α，极下位置处吹到腹部，目标角度为β；水平方向，气流能够包络整个身体，目标角度分别为γ和δ，如图1所示。

2）风量分配均匀。前排4个出风口设计目标均为15%~25%，后排2个出风口均为5%~15%。

3）出风口速度均匀度（UIV）不小于70%。UIV计算公式：

式中：Vf——f单元上的速度，m/s；

Af——f单元的面积，m2；

V¯——面平均速度，m/s。

3 仿真分析

3.1 仿真模型建立

基于CAD数据建立乘员舱CFD仿真模型，各出风口位置，如图2所示。

3.2 仿真工况确定

针对设计目标确定仿真工况，如表1所示。

表1 CFD仿真工况要求

3.3 仿真结果及评价

1）由CAS1得到流量分配比例及各出风口速度均匀度，如表2所示，各出风口速度云图，如图3所示。

表2 CAS1中各出风口流量分配比例和均匀度 %

仿真结果显示：流量分配满足设计要求。后排2个出风口均匀度小于70%，不满足要求。

2）由CAS2得到水平方向等速面，如图4所示。从图4可以看出，气流在乘员前方交汇，并扩散到两侧肩部，满足设计要求。

3）由CAS3得到铅垂方向极上位置等速面仿真结果，如图5所示。从图5可以看出，气流方向未达到头部以上α角位置，不满足设计要求。

4）由CAS4得到铅垂方向极下位置等速面仿真结果，如图6所示。从图6可以看出，气流方向达到腹部β角位置，满足设计要求。

4 优化方案及CFD验证

针对上述不满足设计要求的项目进行结构优化，优化前后结构变化，如图7所示。优化前后仿真结果，如图8所示。

优化后，后排出风口速度均匀度分别为80%，81%；格栅处于极上位置时气流方向达到头部以上α角位置，满足了设计要求。

由于进行优化后可能导致其他项目不再满足设计要求，经验证这种优化方案满足其他设计要求，所以确定为最终方案。

5 试验验证

试验工况车速为60 km/h，环境温度为40℃，湿度为50%，日照强度为1 000 W/m2，空调为吹面模式、内循环、最大制冷。试验测试结果，如表3所示。

表3 各工况风速测试试验数据表 m/s

试验结果显示，乘员舱内气流均衡，乘员未出现严重冷热不均现象。

6 结论

在整车开发过程中的详细设计阶段，采用CFD仿真分析手段对乘员舱气流均衡性各项设计目标达成情况进行了评估和预测。针对不满足项目提出了可行性改善方案。按照优化后的结构进行样车试验，结果显示乘员舱内气流均衡，满足各项设计指标。验证了在产品开发前期引入CFD仿真分析能够实现性能的预测，合理规避设计中的风险，降低后期试验整改和设计变更成本。