汽车前端冷凝器进风不均匀性分析

刘彦麟　赵兰萍　庞加斌　李义林　杨志刚　刘桂兰

摘要： 针对汽车实际行驶过程中前端冷凝器进风不均匀的问题，采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）对不同车速下的冷凝器整个进风表面进行数值计算并分析速度变化规律；根据冷凝器结构特点重新分区进行计算，得到更直观的速度分布.结果表明：汽车冷凝器前端进风不均匀程度随着车速的增加而增大；当车速低于50 km/h且风机开启时，最大风速主要集中在冷凝器中间部分；当车速高于50 km/h且风机关闭时，最大风速主要集中在冷凝器的下半部分.

关键词： 汽车空调； 冷凝器； 车速； 不均匀性； 计算流体力学

中图分类号： U4文献标志码： B

Analysis on nonuniformity of airflow of

automobile frontend condenser

LIU Yanlin1a， ZHAO Lanping1a， PANG Jiabin1b， LI Yilin2，

YANG Zhigang1b， LIU Guilan1a

（1. a. Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering； b. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center， Tongji

University， Shanghai 201804， China； 2. Chongqing Changan Automobile Co. Ltd.， Chongqing 400023， China）

Abstract： As to the issue of nonuniformity of frontend condenser airflow during the actual automobile driving， the Computational Fluid Dynamics （CFD） method is applied on condenser airflow distribution analysis. As to the condenser under different automobile speed， the inlet surface is numerically calculated and the inlet airflow velocity change rule is analyzed； the condenser is divided into several zones according to its structure characteristics and recalculated to obtain more intuitive velocity distribution. The result shows that， the nonuniformity of automobile frontend condenser airflow increases with the increase of automobile velocity； the maximum airflow velocity concentrates in the central part of the condenser when the automobile velocity is lower than 50 km/h and the fan is on； the maximum airflow velocity concentrates in the lower part of the condenser when the automobile velocity is higher than 50 km/h and the fan is off.

Key words： automobile airconditioner； condenser； automobile velocity； nonuniformity； computational fluid dynamics

收稿日期： 2015[KG*9〗12[KG*9〗13修回日期： 2016[KG*9〗02[KG*9〗29

作者简介： 刘彦麟（1991—），女，新疆乌鲁木齐人，硕士研究生，研究方向为汽车空调，（Email）yl_liu0821@163.com；

赵兰萍（1967—），女，浙江嘉兴人，副教授，工学博士，研究方向为汽车空调与环境试验设备，（Email）lanpingzhao@tongji.edu.cn0引言

整车前端冷凝器进风情况与汽车实际行驶过程直接相关，不均匀进风不仅会直接影响冷凝器的换热效果，也会降低汽车空调系统的运行效率.[1]目前，对汽车空调系统的检测一般采用均匀进风的台架实验，但由于车辆实际运行情况非常复杂，台架实验检测得到的空调系统性能与实车的真实性能存在差异.因此，研究整车前端冷凝器进风不均匀问题，有助于了解冷凝器在实车中的运行特性.

近年来，国内外学者已经对汽车前端冷凝器进风不均匀问题展开一定研究.CHIOU[2]分析12种典型气流分布下的汽车空调冷凝器性能，开发数学模型衡量不均匀气流对一个具有扁管和平直翅片结构的多流程冷凝器传热性能的影响.2009年，JUGERT等[3]利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）对汽车前端平行流冷凝器进风不均匀性进行研究，所得结果表明前端冷凝器进气不均时制冷量可减小7%～22%.郭凯等[4]通过建立空调系统模型，研究非均匀气流速度和温度分布对冷凝器的影响，结果表明前端温度进气不均的影响高于速度不均的影响.

在汽车实际行驶过程中，整车前端通常处于非均匀的进风环境，其进风情况不仅与车型密切相关，还会随着车速的变化而变化，影响布置在整车前端的冷凝器的性能，从而对汽车空调系统性能产生重要影响.针对这一问题，本文充分考虑汽车实际运行情况，通过对发动机舱内外流场的耦合分析，研究前端进风条件对冷凝器的影响，分析速度分布规律，为提升汽车空调系统的能效比（Coefficient of Performance， COP）提供依据和参考.

1计算模型

1.1基本控制方程

汽车属于低马赫数交通工具，发动机舱内结构布置形态多样，气流流场复杂.在对发动机舱内外流场进行耦合分析时，可将空气介质参数视为常数，流场按照三维不可压缩黏性流场处理.因前舱模型复杂，容易引起气流分离，故将汽车流场按湍流处理，流体运动遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，具体表现为连续方程、动量方程和能量方程[56].各基本控制方程如下.

连续方程为uiuj=0（1）动量方程为ρuiujxj=-pxi+μeff2uixixj（2）式中：ui和uj为平均速度分量；xi和xj 为坐标分量；p为流体微元体上的压力；μeff为湍流有效黏性系数，μeff =μt+μ，μt为湍动黏度，μ为动力黏度；ρ为密度.

在时均应变率特别大的情况下，标准的kε模型可能导致负的正应力.为使流动更合理，需要对其进行数学约束.有学者认为湍流动能黏度计算式中的系数应与应变率联系起来，故提出可实现的kε模型.

式中：σk=1.0；σε=1.2；C2=1.9；C1=max（0.43，ηη+5），η=2EijEijkε，Eij=12uixj+ujxi；Gk为由平均速度梯度引起的湍流动能k的产生项，Gk=utuixj+ujxiuixj（5）1.2流场

本文建立的计算模型包括车身外表面、前后车轮、发动机舱、进气格栅、冷却系统模块、发动机、变速箱、底盘系统和排气系统等影响机舱内空气流动的主要部件.[78]由于主要分析研究汽车前端冷凝器进风的不均匀性，故尽量保存对发动机舱进气有重要影响的零部件的真实外形，计算车型发动机舱零件布局见图1.

流动流场可分为外流场和内流场.为准确模拟汽车内外流场的情况，外流场主要是由一个长方体和车身组成的流动区域，其中：车身采用某电动车的1∶1全尺寸模型，长4.8 m，宽1.8 m，高1.5 m；基本保持车内外形状与布置的完整性；在长方体纵向方向，车前部取3倍车长，车后部取10倍车长；在横向方向取8倍车宽；高度方向取5倍车高，具体为62 m×14 m×7.5 m.计算域示意见图2.

内流场主要由发动机舱内的各个零部件组成，各部件都会对流场产生影响.汽车发动机舱是一个半封闭的空间，舱内包括冷却系统、发动机、进排气系统、传动装置以及液压设备等元结构，布置非常紧凑.汽车在道路上行驶，前端冷凝器进风分布规律与动力舱的进出风口形状密切相关，进入发动机舱的空气大部分来自汽车前部的进气格栅，而舱内的空气主要从汽车后方流出.

1.3前端冷却模块模型

整车前端冷却模块结构中的冷凝器长0.66 m，宽0.4 m，其后依次为散热器和冷却风扇，见图3.这种布置方式应用广泛，发动机舱内部结构设计合理，能够满足发动机散热和空调制冷的效果.由于主要关心冷凝器和前舱内部的流场情况，所以冷凝器、前舱和汽车车身附近的区域网格较密，而在距整车较远的空间中网格分布较疏.

冷凝器模型网格见图4.在发动机舱内，物面形状十分复杂，各物面之间的尺寸很小，难于采用结构网格，因此在这些表面形状十分复杂的计算区域采用非结构网格.对于某给定热交换器，其换热性能曲线可通过测试或直接从生产厂家得到.本文计算用的热交换器压降曲线见图5.图 4冷凝器模型网格

1.4边界条件

按流场区域不同，汽车外流场与发动机舱内流场耦合计算的边界条件分为外部边界条件和内部边界条件.对于外部流动，其边界条件包括：风洞速度入口边界条件、风洞压力出口边界条件，风洞上表面和地面为移动壁面，流动速度等于车速.对于内部流动：散热器和冷凝器采用多孔介质模拟气流在其厚度方向上的压降；风扇采用MRF隐式算法，转速为2 390 r/min.整车模型三维流场计算时，采用基于有限体积法的FLUENT进行计算求解.湍流模型选用高雷诺数的可实现两方程模型，壁面区采用标准壁面函数[5]，离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法.车轮设置为旋转壁面条件，地面采用移动壁面边界条件[9]，其他固体壁面均设为光滑、无滑移、不可穿透的壁面[10].

2数值计算模拟和分析

2.1冷凝器进风表面速度分布

在风机开启状态下，利用CFDPost依次计算车速为10，20，30，40和50 km/h时的冷凝器进风表面速度分布，结果显示前端冷凝器进风不均匀，且车速越大不均匀程度越高.2种典型工况下前端冷凝器进气面的速度分布云图见图6.当车速为20 km/h时，靠近风扇中心处表面进风速度最大，为4.89 m/s；靠近保险杠上端中心处进风速度最小，为0.32 m/s.当车速为50 km/h时，靠近缓冲器下方进风口处，最大速度达到6.02 m/s，保险杠附近速度有所下降.通过5个工况下前端冷凝器进气面速度分布可以看出：速度较低时最大风速值集中出现在冷凝器中间部分.随着车速的增加，大风速区域逐渐向冷凝器下半部分移动，小风速区域主要集中在冷凝器上半部分中心位置，且随着车速的增加该区域逐渐扩大.

a）车速20 km/hb）车速50 km/h图 6风机开启时冷凝器前端气流分布，m/s

Fig.6Airflow distribution in front of condenser when fan is on，m/s

在风机关闭状态下，依次计算汽车速度为60，70，80，90，100，110和120 km/h时冷凝器进风面速度分布.在2种典型工况下，前端冷凝器进气面的速度分布云图见图7.在车速为70和100 km/h的工况下，冷凝器进气面速度分布规律相似：保险杠附近进风速度较小，靠近缓冲器下方进风口处速度较大；在风机关闭时，最大风速主要出现在冷凝器下半部分，最小风速出现在冷凝器右侧中间位置，并且随着车速的增加，小风速区域面积不断扩大.为更直观地表现冷凝器前端气流分布不均匀的情况，分别计算风机开启时车速为10 km/h和风机关闭时车速为80 km/h时的冷凝器前速度流线图，见图8.

a）车速70 km/hb）车速100 km/h图 7风机关闭时冷凝器前端气流分布，m/s

Fig.7Airflow distribution in front of condenser when fan is off，m/s

a）车速10 km/hb）车速80 km/h

Fig.8Streamline in front of condenser airflow，m/s冷凝器进气面气流分布非常不均匀，尤其是在风机开启的状态下，气流在整个机舱内流动情况复杂，当风机关闭后，气流相对均匀集中.车速为10 km/h时，气流分布在整个汽车前舱，局部速度差值达4.7 m/s；车速为80 km/h时，由于风扇作用，气流较为集中，缓冲器左下方的进风口处速度较大.

2.2冷凝器进风速度数据处理

在不同车速下冷凝器迎风表面速度最大值、最小值和平均值的变化趋势见图9.风速最大值随着车速的增加而增加：当车速为30 km/h时，风速最大值为4 m/s左右；当车速增加到120 km/h时，风速最大值为12 m/s.冷凝器迎风面最小风速值的变化趋势很不规律，随着车速的增加，最小风速值先增加后减小：在车速低于30 km/h和车速高于100 km/h的情况下，最小风速值都低于0.3 m/s；当车速在30～100 km/h之间时，最小风速值高于0.3 m/s；当车速为70 km/h左右时，最小风速值出现极大值，为0.65 m/s.随着车速的增加，风速平均值整体呈现增大的趋势，但当车速为60 km/h时风速平均值降低出现极小值，这是因为车速大于60 km/h时风机会关闭；当车速达到最大120 km/h时，冷凝器进风表面平均风速最大，为6.08 m/s.

a）最大风速

b）最小风速

c）平均风速

Fig.9Airflow velocity of condenser surface由于冷凝器进风表面各个点的速度值与平均速度值之间存在一定差异，故采用计算各个风速时冷凝器迎风表面速度方差的方法衡量不均匀程度.由图10可以看出：随着车速的增加，速度方差逐渐增大，即前端冷凝器进风不均匀程度增大.当风机开启时速度方差的波动较大；风机关闭时速度方差波动较小.当车速达到110 km/h时，速度方差为2.47.由此可以看出，前端冷凝器进风不均匀的程度随车速的增加而增大，相应的对汽车空调的影响也会增加.

2.3冷凝器分区计算及分析

2.3.1冷凝器分区处理方案

为充分说明前端冷凝器进风不均匀性与车速的关系，对进风表面分区处理.根据流程结构，将冷凝器划分成24个小区，每个区域的尺寸为0.11 m×0.10 m，按照从左到右和从上到下的顺序进行编号，见图11.

2.3.2冷凝器分区数据处理

不同车速下冷凝器迎风面上各个分区的平均风速见图12.风机开启时，最小风速主要集中在A3～A5区域，最小值为1.5 m/s；最大风速主要集中在A6～A8区域，最大值为3.6 m/s；风速在A6～A8区域以及A19～A24区域的波动较大.当风机关闭时，最小风速主要集中在A13～A18区域；最小值为0.14 m/s，最大风速在A24附近.由于分区较多，选择风机开启时A8和A13区域与风机关闭时A1，A4和A19区域的平均风速进行比较，见图13.a）风机开启时，各个分区平均风速b）风机关闭时，各个分区平均风速

不同区域的平均风速随车速的变化趋势相似，风机关闭时平均风速值降低很快，而后随着车速增加而缓慢增大，在车速为60 km/h处有极小值，在120 km/h处达到极大值.

3结论

研究汽车前端冷凝器进风不均匀性问题，通过数值计算分析，得到以下结论.

（1）车速越大，冷凝器进风不均匀程度越大.

（2）风机的旋转对冷凝器进气面速度不均匀性产生一定影响.当风机开启时，冷凝器迎风面最大风速集中出现在中间部分；随着车速的增加，最大风速逐渐向冷凝器下半部分移动；在风机关闭后，冷凝器前最大风速集中出现在迎风表面的下半部分，并且平均风速先降低再增大.

（3）对冷凝器分区计算可看出，冷凝器表面风速分布规律与车速紧密相关.参考文献：

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