汽车空调进气性能的CFD仿真及优化

2017-03-02陈邢希玥聂春飞卢祖秉

北京汽车 2017年1期

关键词：进风口鼓风机气流

陈邢希玥，聂春飞，卢祖秉

Chen Xingxiyue，Nie Chunfei，Lu Zubing

（东风日产乘用车公司技术中心，广东广州 510800）

汽车空调进气性能的CFD仿真及优化

陈邢希玥，聂春飞，卢祖秉

Chen Xingxiyue，Nie Chunfei，Lu Zubing

（东风日产乘用车公司技术中心，广东广州 510800）

采用CFD方法对某车型的空调系统外循环进气工况进行数值模拟，得到不同入口流量条件下水分离系统内部气流压力损失。结果发现原设计方案空调进风效果差，不能满足空调进气性能评价指标，影响空调整体性能。通过 CFD方法提出优化设计方案，模拟与试验测试结果高度贴合。优化方案满足了进气指标，有效提高了空调整体性能。

空调进气性能；CFD方法；压力损失；数值模拟

0 引言

汽车空调是指对汽车车厢内的空气质量进行调节的装置，是影响汽车舒适性和安全性的主要装备之一[1]，为汽车提供制冷、取暖、通风、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制等功能。它能始终保持车内空气的温度、湿度、流速和清洁度在驾乘人员舒适的范围内，并预防或去除玻璃上的雾、霜和雪，保障驾乘人员的行车安全。

空调系统在外循环工况时，空调配气系统需从雨刮槽进风口处获取足够新鲜的空气[2]。作为进气的源头，雨刮槽进风口的进气流量和气流流动顺畅性对空调能否获取足够的新鲜空气有着决定性作用。当空调进风能力不足时，空调性能下降，影响驾乘人员的舒适性。因此，为了保证空调具有充足的进气量，空调水分离系统的设计尤为重要。

运用CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）仿真技术，对空调外循环工况下外界空气经过空调进风口流入鼓风机的进气过程进行分析，找到影响空调进气量和影响气流顺畅性的结构因素。并通过结构优化，降低鼓风机进风口的压力差，保障空调配气系统能获取足够的进气量，最终保证空调的整体性能。

1 基本理论

空调进气过程是一个气体流动过程，属于三维、定常、等温、不可压、粘性的湍流流动，其控制方程为雷诺平均N-S方程[3]。所有的流体流动均遵守物理守恒定律，包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。

CFD仿真中，k-ε湍流模型是应用最广泛的经典双方程模型，标准k-ε湍流模型和修正的k-ε湍流模型在一般的应用中差别不大[4]，选用标准 k-ε湍流模型进行计算。该模型包含2个未知量k和ε，对应的输运方程为[5]

式中，Gk和Gb分别为平均速度梯度和浮力引起的湍动能的产生项；YM为可压湍流中脉动扩张的影响；C1ε、C2ε和C3ε为经验常数；Sk和Sε为用户定义的源项。

2 仿真分析

2.1 几何模型

以某乘用车的水分离系统作为分析对象。几何模型如图 1所示。由雨刮槽挡风板、与雨刮槽相连接的白车身、前雨刮、雨刮电机、引擎盖上端、前风挡玻璃下部、A柱下部和鼓风机进气前端组成。为保证流体网格的质量和计算的效率，建立分析模型时进行部分简化处理，忽略对空气流动影响较小的结构。在不影响整车计算精度的前提下，将计算域处理为一个无缝隙的封闭几何空间。

图1 几何模型图

2.2 网格模型

在STAR-CCM+软件中，设置基本域尺寸的最小尺寸为2 mm，最大尺寸为5 mm。并根据不同位置的结构特征和对计算精度的影响进行局部网格加密设置。网格采用多面体网格，体网格总数量为600万，如图2所示。

图2 体网格显示图

2.3 边界条件

初始条件：环境压力1.01×105Pa；环境温度T=300 K；空气密度ρ=1.184 12 kg/m3；空气动力粘度μ=1.855×10-5Pa.s；环境空气速度为0 m/s。

在模拟计算中，鼓风机的进风口截面为入口，采用质量流量入口为入口边界条件，分别对入口流量为3 m3/min、4 m3/min、5 m3/min和6 m3/min的工况进行模拟。雨刮槽进风口和排水口为出口，采用压力出口为出口边界条件，压力出口数值为0 Pa。其他壁面为无滑移壁面边界条件。

由于水分离系统内气流的速度较小，可视为不可压缩流场，空气的流动为三维稳态湍流，采取标准k-ε湍流模型进行计算。

2.4 计算结果

由图 3和图 4可知，在入口质量流量为 3 m3/min工况下，空调鼓风机进风口大部分区域的气流压力较大，达到84.84 Pa，高于设计性能的目标值59 Pa。入口质量流量为4 m3/min工况下，压力损失为150 Pa，远超目标值77 Pa。过高的压降会影响空调的进风，导致水分离系统内部阻力增大，鼓风机的性能降低，从而影响驾乘人员的舒适性。

图3 鼓风机进风口压力云图

3 优化方案

为改善水分离系统内的气流流动的顺畅性和提高鼓风机的进气量，以降低空调鼓风机进风口气流压力值，需对水分离系统做局部结构优化。对初始方案的流场进行分析，采取以下优化方案：

1）在靠近副驾侧增加空调进风口，如图 5所示；

2）增加雨刮槽中间钣金件的开孔，如图6所示。

优化方案的压降情况如图7所示。对比可知，随着空调进风口和雨刮槽中间钣金件开孔的增加，空调鼓风机进风口的压降明显减小。在入口质量流量为3 m3/min工况下，优化方案的空调鼓风机进风口的气流压力损失为22.6 Pa，比原方案的压降减少了62.1 Pa，降低了73.30%；在入口质量流量为4 m3/min、5 m3/min和6 m3/min工况下，压降分别降低了73.07%、73.36%和73.61%。优化方案能有效降低鼓风机入口的压降，满足设计要求。

图6 雨刮槽中间钣金件结构对比图

图7 压降直方图

图8～10显示了初始方案和优化方案在入口质量流量为3 m3/min工况下空气在水分离系统中的流动特性。初始方案中，雨刮槽中间钣金件的开孔靠近雨刮电机，气流进入雨刮槽后，雨刮电机阻碍了气流的流动，部分气流与雨刮电机相互作用后流向开孔。在靠近鼓风机进风口的位置，随着进气流道逐渐变窄，气流速度逐渐变大，并在鼓风机进风口的前端形成漩涡，在鼓风机进风口处产生较大的压力。优化模型通过在雨刮槽中间钣金件增加开孔，部分气流从新增的开孔处通过后直接到达鼓风机的进风口，减少了与雨刮电机相互作用的气流量，降低了靠近鼓风机进风口处的气流速度，使气流更顺畅地通过该位置到达鼓风机进风口，降低了鼓风机进风口处的压力。

图8 Z=760 mm截面速度矢量图

图9 鼓风机进风口压力云图

图10 雨刮电机的压力云图

4 试验验证

试验的工况为车辆静止状态开启外循环模式，测量在入口质量流量为3 m3/min、4 m3/min、5 m3/min和6 m3/min条件下的鼓风机进风口处的压降，并与仿真结果进行对比。试验测试结果如图11所示，4种工况下，试验结果与仿真结果差值绝对值均小于1 Pa，二者高度贴合，且均优于设计性能目标。