汽车空调系统中离心风机三维数值仿真与实验研究

杨松，王新亮

(新乡学院机电工程学院，河南新乡 453003)

汽车空调系统中离心风机三维数值仿真与实验研究

杨松，王新亮

(新乡学院机电工程学院，河南新乡 453003)

建立某车型空调通风系统包括叶轮及蜗壳结构在内的多翼离心通风机三维几何模型，完成了多种工况下风机内部三维流场的定常和非定常仿真计算，并进行相应的实验测试，对仿真计算的准确性进行验证。详细分析了多翼离心风机内部随时间变化的速度场、压力场和典型监测点处压力脉动的变化规律，对汽车空调风机的进一步优化提供指导方向。

汽车空调；多翼离心通风机；非定常；数值模拟；实验研究

0 引言

在相同流量及压头情况下，离心式多翼通风机具有占用空间小、气动噪声低等优点[1]，在汽车空调通风系统中得到广泛的应用。多翼离心风机压头、气动噪声、效率等综合性能的高低直接影响车内舒适性及整车的口碑。多翼离心风机虽然具有抗压能力强、流量较大等优点，但是存在效率较低等不足，国内外技术及科研人员针对它进行了大量的实验及仿真研究工作。

1 仿真模型

图1所示为某汽车空调通风系统中多翼离心风机的三维几何模型，叶片型式为单圆弧直叶片，数量为44，进、出口叶轮安装角分别为β1=89°、β2=165°。

图2所示为仿真计算多翼离心风机的网格模型。由于通风机叶片及蜗壳的曲面形状相对比较复杂，对整体风机流道全部生成高质量的结构化网格是比较困难的[2]，因此，将三维模型分为3个区域，并采用四面体网格进行空间离散[3]。

数值模拟采用有限容积法，采用RNGk-ε湍流模型[3]，叶轮旋转区域与静止区域的交界面使用Interface边界[4-5]。

图1 三维几何模型

图2 网格模型

2 仿真与实验对比

仿真与实验的对比结果如表1所示，数值模拟对比实验的平均误差在5%以内，说明仿真结果可以满足实际工程应用。仿真工况包括背压10 Pa、35 Pa、60 Pa、90 Pa及120 Pa，并相应进行了实验测试。该多翼离心风机通过仿真计算获得的p-Q性能曲线如图3所示。

表1 仿真结果与实验结果对比

图3 p-Q曲线

3 流场特性分析

3.1 速度场

离心风机内流场流线图及中心截面的速度矢量图分别如图4—5所示，截面气流流动性能较好，气流在叶轮形成负压作用下呈放射性进入叶轮[6-7]，并经叶轮旋转做功之后沿蜗壳流入大气。另外，气流在离心风机蜗舌处存在明显回流，但是强度并不是很大。从速度场分布可以定性直观地看出离心风机气流轴向流入、径向流出的特征。

图4 流线图

图5 中截面速度矢量图

3.2 压力场

图6所示为不同时刻中截面压力场分布。

图6 不同时刻中截面压力场分布

可以看出：不同时刻压力场分布趋势是一致的，由于时间间隔非常短，差异不是十分明显。气流在叶轮做功作用下高速脱离叶片进入出口流道，在靠近蜗壳出口区域存在明显的低压区；另外，不同时刻在紧贴蜗壳区域都存在明显的高压区，说明气流对蜗壳型线的贴附性较好[8]；而蜗舌位置的高压区则是由于在此处形成回流造成的。

3.3 压力脉动

从以上分析可以看出，蜗舌区域附近的流场对风机内流场及整机性能都具有重要影响。为了研究该区域的流动特点，需要对其气流的压力脉动规律进行监测，A、B两个测点位置如图7所示。

图7 监测点位置

图8和图9分别为A、B两点压力值随时间的变化情况。

图8 点A压力脉动监测

图9 点B压力脉动监测

可以看出：点A处压力值在10 Pa附近上下波动，幅度在±5 Pa左右，随着风机启动进入平稳运行状态后，压力波动情况也趋于稳定；类似地，点B处压力值在85 Pa上下波动，幅度在±7 Pa左右。监测点压力脉动整体呈波峰、波谷交替出现的趋势，而点B由于位于蜗舌的回风口，波动频率明显高于点A处。

4 小结

对某车型汽车空调通风系统中多翼离心通风机的内流场进行流体动力学性能计算，重点分析了整机流场中速度场、压力场以及蜗舌附近压力脉动的分布规律。研究发现：

(1)蜗壳流道内的蜗舌位置存在高压区，在靠近蜗壳出口位置处存在低压区。

(2)蜗舌间隙内的压力值较高，压力脉动整体呈波峰、波谷交替出现的趋势，在85 Pa上下波动，幅度在±7 Pa左右。

(3)流场稳定后，速度场、压力场在不同时刻的分布趋势一致。

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[4]王维斌.对旋式通风机全流场内压力脉动及气动噪声特性的数值研究[D].青岛:山东科技大学,2009.

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NumericalSimulationandExperimentResearchofWholeFlowFieldinaMulti-bladeCentrifugalFanofHVACinAutomobile

YANG Song, WANG Xinliang

(Mechanical and Engineering College, Xinxiang University, Xinxiang Henan 453003,China)

The full flow field model of a widely used multi-blade centrifugal of HVAC in automobile including the wheel and volute was built, the steady and unsteady numerical simulation of the inner flow in the fan at different working conditions were presented. The numerical simulation results were validated by contrasting to the experiment results. The results display the characteristics of the velocity field, pressure field and pressure fluctuate in the centrifugal fan. The results can provide basis for optimizing the fan design and the internal flow, and have important value of engineering applications in the increase of the overall performance in operation.

Vehicle air conditioner; Multi-blade centrifugal fan; Unsteady flow; Numerical simulation; Experiment research

TH432.1

B

1674-1986(2017)09-045-03

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.010

2017-05-19

杨松(1986—)，男，硕士研究生，研究方向为电动汽车。E-mail：ysgwl037@126.com。