某汽车空调暖风风道的CFD仿真和优化

杨润泽，安正顺

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰 442002）

某汽车空调暖风风道的CFD仿真和优化

杨润泽，安正顺

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰 442002）

针对某微型面包车空调系统出风量小，出风温度不均匀的现象开展了研究，应用Fluent软件对暖风风道内部的三维稳态流动和换热情况进行了数值仿真分析，通过调整风道内部结构及扰流板尺寸、形状和位置设计了优化方案，并进行了CFD仿真。结果表明：将扰流板位置向下平移15mm的方案为最优方案，该方案的风阻较原设计下降了4.5%，出口温度的标准差降低了17.8%，风道出风温度的均匀性得到了显著改善。

汽车空调；暖风风道；Fluent；数值模拟；优化

汽车空调系统采用人工制冷、采暖、通风等方法，调节车室内的温度、湿度、气流速度和空气洁净度等参数指标，从而为人们创造清新舒适的乘车环境。汽车空调暖风风道作为汽车空调系统的一部分，风道出风的风速和温度分布、风口位置直接影响乘员的舒适性，风道的布置走向、占用空间以及流动阻力等会影响空调系统的经济性。

近年来国内外学者对汽车空调暖风系统作了大量的研究。文献［1］对某型轿车的HVAC及风道进行了数值模拟，通过对HVAC及风道内部的速度场和压力场的CFD分析，考察HVAC的结构是否合理，空气流过时是否会产生偏流或涡旋等不利现象，分析风道内部结构对风量分配和送风量的影响，并提出优化方向。文献［2］建立了某车型汽车空调风道结构的三维数学模型，利用Fluent进行模拟，得到了风道出风口风量大小和风量的分配情况，并与设计值进行了比较；还分析了风道出口扫风情况，提出了解决方案。文献［3］利用CFD方法对某型汽车空调的风道进行数值模拟，得出了风道整体的速度场、压力分布以及各出风口的风量分配；对中、侧风道进行结构优化，使得风量分配更加均匀，减少风量损失。文献［4］对某汽车空调箱及风道在吹面、吹脚、除霜模式下进行了数值模拟计算，根据计算得到了3种模式下的速度和压力分布；通过对速度场和压力场的分析，可以验证HVAC的结构是否合理，空调箱内是否有涡流，绕流等现象；通过结构的调整以得到适当的速度值和降低噪声，并分析风道内部结构对风量分配和送风量的影响。文献［5］在运用Fluent软件模拟某轿车空调系统风道温度场的基础上，对风道系统的结构进行了优化，通过在暖风芯体与后吹脸风道出风口处增设风门的方式，改善了风道及车室内的气流组织，有效解决了车室内前后排温差问题。当前对汽车空调及HVAC系统风道的研究多集中于送风量大小以及风量分配等问题，但暖风风道涉及冷热流体的热交换，出风温度的均匀性也是一个非常重要的舒适性指标。

1 仿真模型建立及结果分析

1.1 模型建立

1）物理模型

图1是暖风风道示意图，空气经鼓风机，加热器冷热空气混合流出，由于吹脚模式对出风温度的均匀性主观感受不明显，本文中只考虑吹面模式，简化暖风风道物理模型为2个入口（冷空气入口和热空气入口）、1个出口（吹面出口）。

图1 暖风风道物理模型

2）网格划分

由于模型较为复杂，网格划分方式选择自动划分，整体采用自适应四面体网格划分，网格节点数总计29843，单元数总计210058，如图2所示。

3）空气物性参数

假定空气为不可压缩常物性，空气物性参数如表1所示。

图2 暖风风道网格模型

表1 空气物性参数

4）边界条件及数值方法

热空气入口速度为1m·s-1，温度为50℃；冷空气入口速度为1m·s-1，温度为10℃；出口为压力出口。计算域模型中未加说明的面均为绝热壁面。

计算在Ansys Fluent软件中进行，湍流模型选择标准k-ε模型，空间离散采用2阶迎风差分格式，压力和速度的耦合采用Simple算法。计算的收敛标准为连续性方程1.0×10-3、动量方程1.0× 10-3、能量方程1.0×10-6。

1.2 仿真结果分析

图3为暖风风道中性截面上的温度和静压分布云图，显示了冷热空气从入口到出口混合过程中的压力和温度变化情况。图4为暖风风道中性截面上的流线图，可以看出：冷热空气在风道内流动过程中扰动不够，冷热流体没有有效地掺混。图5为暖风风道出口温度分布云图，表明出口最高温度与最低温度分别位于出口左右两端，此结果与实验结果一致，暖风风道的CFD仿真结果基本合理。

图3 风道中性截面温度和静压分布云图

图4 风道中性截面流线图

图5 风道出口温度云图

2 优化方案

2.1 优化评价指标

由于暖风风道模型数值模拟只考虑出风口的风量和出风均匀性，所以可以用冷空气和热空气的压力损失、入口出口平均压力损失来评价出风口风量以及出口温度标准差来评价出风均匀性。

冷空气压力损失：

热空气压力损失：

入口出口平均压力损失：

出口温度最大温差：

出口温度标准差STD：

式中：pin,cold为冷空气入口压力；pin,hot为热空气入口压力；pout为出口压力；Δp1为冷空气压力损失；Δp2为热空气压力损失；Δp为入口出口平均压力损失；ΔT为出口最大温差；Tmax为出口最大温度；Tmin为出口最小温度；σT为出口温度标准差；Ti,out为出口第i个节点上的温度；为出口平均温度；N为出口节点个数。原风道模型即

2.2 优化方案1

扰流板尺寸不变，在扰流板上开孔，示意图如图6所示，分为4种子方案：1）孔开在扰流板中心，孔直径为14mm；2）孔开在扰流板左侧，孔直径为14mm；3）孔开在扰流板中心，孔直径为20mm；4）以扰流板中心为基准，阵列3个等大的孔，孔直径为10mm。优化方案1中4种子方案数值模拟结果对比如表2所示。

图6 优化方案1示意图

表2 优化方案1数值模拟结果

2.3 优化方案2

扰流板尺寸不变、远离风门进口向下移动示意图如图7所示，分为3种子方案：1）扰流板向下移动10mm；2）扰流板向下移动15mm；3）扰流板向下移动20mm。优化方案2中3种子方案的数值模拟结果对比如表3所示。

图7 优化方案2示意图

表3 优化方案2数值模拟结果

2.4 优化方案3

改变扰流板的位置，同时在扰流板上打孔，设计2种子方案：1）扰流板向下（远离风门进口）移动10mm，同时在扰流板中心打一直径为10mm的孔，如图8 a所示；2）扰流板向下（远离风门进口）移动10mm，同时在扰流板中心打一直径为20mm的孔，如图8 b所示。2种子方案数值模拟结果对比如表4所示。

图8 优化方案3示意图

表4 优化方案3数值模拟结果

2.5 优化方案4

在热空气进口风道内添加新的扰流板：1）在热空气进口风道一侧面加的扰流板尺寸为60mm× 50mm×1.25mm，如图9 a所示；2）在子方案1的基础上对扰流板打一直径为15mm的孔，如图9 b所示。2种子方案数值模拟结果对比见表5。

图9 优化方案4示意图

表5 优化方案4数值模拟结果

所有方案计算结果的权衡图见图10：越靠近左下角的点风阻越小，出口温度越均匀，显然优化方案2中子方案2相较其他方案有最好的出风温度均匀性，而且流道风阻也有较大程度的改善。

图10 优化方案权衡图

3 结论

本文中建立了某微型面包车空调系统暖风风道模型，使用Fluent软件对风道内部的流动和换热情况进行了数值模拟，通过分析风道内部及出口的压力、温度分布情况，验证CFD仿真模型的正确性。通过改变扰流板的尺寸、位置、形状设计了优化方案，并对优化前后风道压力损失以及出风温度均匀性进行比较，结果发现：将扰流板的位置向下平移15mm的方案可以显著改善风道内部流动情况以及出风温度均匀性，该方案较原设计的风阻降低4.5%，出口温度标准差降低17.8%。

［1］吴金玉，陈江平.汽车空调蒸发器总成及风道的数值研究［J］.流体机械，2008，36（7）：59-62.

［2］王琼.汽车空调风道出风情况的CFD分析与优化［J］.企业科技与发展，2011，312（18）：31-33.

［3］陈杨华，冯英.某型汽车空调风道的CFD数值模拟计算应用［J］.南昌大学学报（理科版），2012，36（3）：282-285.

［4］贾传林，欧阳新萍.汽车空调箱优化设计及风道风量均匀性研究［C］.中国制冷学会2009年学术年会论文集，2009.

［5］严运兵，丁明亮，刘颖星，等.轿车空调风道温度场特性分析与结构优化［J］.制造业自动化，2015,37（18）：61-65.

CFD Simulation and Optimization of Heating Duct for an Automobile Air Conditioning

Yang Runze,An Zhengshun
（School of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

The problem of small flow rate and outlet air temperature ununiformity in a minivan air condi⁃tioning system was investigated.The interior 3D steady flow and heat transfer of the heating duct were analyzed by numerical simulation software Fluent.By adjusting the internal structure and spoiler size, shape and location,the optimization schemes were designed and analyzed by CFD.The results show the scheme moving spoiler down 15mm is the best solution among the optimization schemes,the pressure drop of the optimized heating duct decreases by 4.5%than the original design;the standard deviation of the outlet temperature reduces by 17.8%.The outlet air temperature uniformity is significantly improved.

automobile air conditioning;heating duct;Fluent;numerical simulation;optimization

U463.85+1

：A

：1008-5483（2016）04-0001-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.04.001

2016-07-05

杨润泽（1985-），男，湖北十堰人，硕士，从事强化传热和流动方面的研究。E-mail：yrunze@qq.com