基于FloEFD软件的空调箱温度线性设计

陆平，李波，周滋锋，钱锐

（1-泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201；2-明导（上海）电子科技有限公司，上海 200120）

基于FloEFD软件的空调箱温度线性设计

陆平*1，李波2，周滋锋1，钱锐1

（1-泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201；2-明导（上海）电子科技有限公司，上海 200120）

本文基于FloEFD CFD软件，对空调箱线性设计过程中出风温度均匀性能进行参数化仿真研究。通过改变空调箱内部冷热流道相关参数尺寸后，进行CFD研究确认冷热流道对冲角度及流道面积比最优组合，确保空调箱最优的冷热气流混风效果及出风温度均匀性表现，这对空调箱线性性能设计优化具有重要意义。

计算流体动力学（CFD）；空调箱；线性度

0 引言

随着人民生活的提高，有车一族的数量也越来越多，对汽车乘驾舒适性的要求也有了更高的标准[1]。其中，汽车空调出风温度线性均匀度表现是影响整车舒适性的关键性能之一。均匀的空调箱出风温度一方面能确保车辆使用者最终所感受到均匀的出风温度，另一方面又能降低自动空调温控算法标定工作上的繁复程度。同时，均匀性好的冷却气流对车室的冷却性能更好[2]。但是，由于车身空间限制，汽车空调多结构紧凑，如果结构设计不合理容易产生冷、热气流混合不充分现象，直接导致出风口温度不均匀[3]。因此，对于一款空调箱的开发工作而言，提升出风温度均匀性尤为重要。

目前，空调箱设计开发过程中对于线性性能的设计更多基于工程经验及反复的工程样件与开发验证，这在占据大量的开发周期的同时无疑又增加了工程开发成本。本文通过应用FloEFD CFD软件工具并利用其自带参数化计算功能，使得原本繁复的开发、验证过程的效率极大提升。

1 模型

1.1 物理模型

本文中研究的空调箱主要由空调箱壳体、蒸发器芯体、加热器芯体和风门组件构成。工作过程中，气流通过进气壳体进入空调箱内部，随后流经蒸发器芯体实现冷却降温。冷却后气流在温度风门调节作用下部分流经加热器芯体实现升温，另一部分则旁通至加热器后部。两股冷热气流在加热器后部混风区汇聚形成一定温度后最终由空调箱出风口排出。图1为该过程截面示意图。

从图1可看出，空调箱出风温度的调节实际是对冷热气流混合比例的调节。其中温度混合风门控制尤为重要，其控制着冷热风的分配比[4]。而最终混风的充分程度会影响出风温度均匀性的好坏。

图1 空调箱结构断面示意图

1.2 计算区域

本文所研究空调箱从结构上主要可分为进气段、扩散段及混风段。其中混风段对空调箱冷热气流混风效果及出风温度均匀性起着主导作用。在空调箱内部流动和换热过程中，热量传递主要发生在蒸发器、加热器以及风门组件之后的混风段。其中蒸发器使得入口流体温度下降，而加热器又使得流体温度得到提升。因此，选取空调箱混风段作为模型计算区域，并将扩散段及分配箱吹面出风面分别作为计算区域入口及出口，如图2所示。

图2 空调箱计算区域模型示意图

1.3 CFD模型

本研究使用商用CFD软件FloEFD来对汽车空调箱混风区线性性能的受影响因素进行研究。FloEFD使用独特的六面体网格结合浸没边界法，与其他工具使用的四面体和棱镜元素相比，能获得更精确和更高效率的仿真结果[5]。它是新一代流体动力学分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三维机械CAD 环境中高度工程化的通用流体传热分析软件[6]。

FloEFD求解流体流动和传热的过程可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来替代，通过一定的原则和方式建立其关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值[7-9]。

其中主要求解的是流体流动的基本方程，即质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。由于本文模拟分析流场处于充分发展的湍流状态，因此采用标准的k-ε方程模型。标准k-ε方程模型的湍动能k和耗散率ε方程如下[10]：

式中：

Gk——由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；

Gb——由于浮力引起的湍动能k的产生项；

YM——可压湍流中脉动扩张的贡献；

C1ε，C2ε，C3ε——经验常数；

σk——与湍动能k对应的普朗特数；

σε——与耗散率ε对应的普朗特数；

Sk，Sε——用户定义的源项。

1.4 边界条件

为不失一般性，计算所用到的空调箱边界条件为空气流动系统运行工况，见表1。空调箱扩散段以流量入口作为入口边界，分配箱吹面出风口则设为压力出口边界，同时空调箱壳体壁面采用无滑移条件。

另外，对空调箱内部蒸发器及加热器，则通过定义多孔介质参数对其进行设置，从而实现气流流经过程时的压降及换热计算。由于空调箱入口的50 l/s流体流量均通过蒸发器，故可以直接将蒸发器在50 l/s条件下的流动和换热特性输入至软件的多孔介质模型中，即压力损失24.5 Pa和换热量875 W。表2为加热器在不同流体流经时的流动和换热特性参数。

表1 空调箱计算模型边界条件

表2 加热器参数设置

2 计算与分析

如空调箱结构断面示意图图1所示，温度风门起到分流过蒸发器后气流的作用。被分流气流一部分经蒸发器后部流道流出，另一部分则经加热器换热之后通过热气流道流出，两股气流以一定的对冲角度及面积进行混合，最终由空调箱出风口排出。因此，冷热气流流道对冲角度及面积比无疑会对最终混风效果起到重要影响。

本文研究中，结合所开发空调箱结构特点，采用最优化方法对冷热流道对冲角度、面积比分别选取3个水平，如表3所示。两者组合可形成9个计算模型，如表4所示。每个模型在计算过程中，利用FloEFD软件具备的参数化计算功能，使温度风门由全热至全冷方向参数化旋转。结合本文所研究空调箱温度风门全热至全冷总行程为75°，计算过程中设置风门单步旋转角度为25°。

表3 空调箱优化参数水平

表4 空调箱组合参数计算模型

考虑本文所研究空调箱线性设计过程中出风温度均匀性能，因此在计算结果分析中关注温度风门中间位置情况下的出风口温度分布情况，即温度风门25°和50°位置情况下的出风温度表现，以保证与客户实际使用相匹配。

9个计算模型CFD最终结果如图3所示。可以看到，模型3在两个风门计算位置上出风面温差最优，说明该模型所对应的冷热流道对冲角度及流道面积比参数对所研究空调箱而言最为理想。而这一点从各模型在两个计算风门位置上的最终出风面温度云图中也得到印证，见图4。

图3 空调箱出风温度均匀度结果

图4 空调箱出风口温度云图

与图3相类似的，图4中(a)是温度风门25°位置情况下各模型出风口温度云图分布情况，而(b)则是温度风门50°位置情况下各模型出风口温度分布。从中不难看出，模型3较其它模型存在更为均匀的温度分布，这一点在空调箱出风口左右两侧区域更为突出。

3 试验验证

结合CFD虚拟计算结果，对所研究空调箱分配箱内部冷热流道面积比及流道对冲角度进行设计定型、制作样件并安排测试。试验过程中，空调箱进气气流温度维持在0 ℃，加热器内部通以90 ℃冷却液，从而模拟实车使用中空调箱内部冷、热源的产生。通过调节温度风门开度，便可实现空调箱出风温度的冷热调节。为了验证空调箱出风温度线性均匀性，在各出风口面上各布置4个热电偶，其所测得平均温度代表各风口出风平均温度。如此，整个风门调节过程中，通过监测各风口间平均出风温度差便可判断出风温度线性度水平。图5为空调箱样件在吹面吹脚出风模式下各吹面风口温度线性实测性能数据。可以看到，在35%到65%这段典型吹面吹脚出风模式温控区间内，四个吹面风口之间最大温差控制在4 ℃以内，达到了温度线性设计要求，同时与虚拟设计阶段CFD结果基本保持一致。

图5 空调箱吹面出风口温度线性数据

4 结论

本文基于FloEFD CFD软件对空调箱线性设计过程中出风温度均匀性能进行了参数化仿真研究。通过改变空调箱冷热流道对冲角度及面积比组合参数进行CFD研究确认相关参数最优组合，最终明确所研究空调箱最优的冷热流道对冲角度及面积比分别为120°和39%。

同时，可以看到FloEFD软件所具备的参数化计算功能在本研究中也充分体现了其高效的优势。也正是基于FloEFD这方面的优势，本研究中空调箱线性性能开发工作效率及周期获得了极大提升，达到设计目的的同时降低了开发成本。

[1] 张彦丽, 钱锐, 陈江平, 等. 汽车空调“制冷速度不够快”原因分析[J]. 制冷技术, 2009 (1): 40-43.

[2] 赖晨光, 文凯平, 满超. 汽车空调出风口气流均匀性对冷却性能的影响[J]. 机床与液压, 2014, 42(12): 17-21.

[3] 苏为, 李磊, 文颖. 汽车空调送风温度均匀性优化设计与试验研究[J]. 汽车技术, 2009 (3): 46-49.

[4] 袁伟光, 黄宏成. 汽车空调温度混合风门控制机构的仿真及优化[J]. 传动技术, 2009, 22(4): 24-27.

[5] 佚名. Mentor Graphics发布无缝集成的同步CFD仿真工具FIoEFD[J]. 电子工艺技术, 2012, 33(2): 15-15.

[6] 何汉恩. 基于 FLOEFD 的散热器翅片间距仿真设计[J]. 硅谷, 2014, 7(8): 47-48.

[7] 李炅, 高珊, 贾甲, 等. 毛细管辐射供冷系统性能的试验及数值模拟研究[J]. 制冷技术, 2014, 34(4): 18-22.

[8] 陶文铨. 数值传热学[M]. 2版. 西安: 西安交通大学出版社, 2001.

[9] 郭鸿志. 传输过程数值模拟[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1998.

[10] 朱娟娟, 陈江平, 陈芝久, 等. 汽车空调双后风道结构数值优化分析[J]. 制冷技术, 2004, 24(3): 8-10.

HVAC Module Temperature Linearity Design based on FloEFD Software

LU Ping*1, LI Bo2, ZHOU Zi-feng1, QIAN Rui1
(1-Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201, China; 2-Mentor Graphics (Shanghai) Electronic Technology Co., Ltd Shanghai 20120, China)

Based on the FloEFD computational fluid dynamics (CFD) simulation software, a parameterized simulation study of outlet temperature homogeneity performance during HVAC module temperature linearity design process is performed. Through adjusting the HVAC module internal air passage parameters and CFD analysis, on optimal air flow cross angle and section area ratio between hot and cold air passage is confirmed, which ensures HVAC module optimal air mixture effect and outlet temperature uniformity. This study has great significance to the design of HVAC module temperature linearity design.

Computer fluid dynamics (CFD); HVAC Module; Linearity

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.208

*陆平（1981-），男，硕士。研究方向：汽车空调系统。联系地址：上海龙东大道3999号，邮编：201201。联系电话：021-50165437，E-mail：ping_lu@patac.com.cn