CFD分析在空调除霜设计中的应用

田贵彬，时 辰

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽车空调的除霜系统对整车品质有重要影响，除霜系统的好坏影响到车辆在行驶中是否对驾驶员有视线干扰，造成行驶的危险。在除霜系统的设计过程中，经常会用到CFD分析，CFD分析能对除霜风道的风量、壁噪、风向等条件进行解析、整合，从而设计出最适合车辆的除霜风道。下面针对某轻型客车在设计除霜风道过程中用到的CFD分析对除霜风道的设计和CFD分析的应用进行浅析。

1 条件输入

条件输入包括三维数据、风量分配要求、空调主机总风量、空调主机芯体参数等。

1.1 参数输入

除霜风道的CFD分析需求的参数包括暖风芯体风阻、蒸发器芯体风阻、HVAC在全热除霜时的总风量，参数的输入用于计算风量的流量、大小、风量分配等。暖风芯体参数见表1，蒸发器芯体参数见表2，空调主机参数见表3。

表1 暖风芯体参数

表2 蒸发器芯体参数

表3 空调主机参数

1.2 三维数模输入

三维数模的输入包括IP、前挡风玻璃、初版风道、HVAC等数据，在数据中需包含A区、A′区、B区、驾驶员视野区域等参数。图1为IP+前挡玻璃示意图，图2为风道图。

图1 IP+前挡玻璃

图2 风道

2 输出分析报告

2.1 风量分配优化

风量分配在除霜中有着重要作用，合理分配除霜风量对除霜性能的好坏有直接影响，特别是侧除霜关系到驾驶员的后视镜视野区域，关系到驾驶员的安全驾驶性。优化前后的风量分配见图3，优化分析结果见表4。

图3 优化前后的风量分配

表4 风量分配优化分析结果

由图3和表4中可以看出：①优化前，除霜各出风口中间风量大于设计目标，两侧风量小于设计目标，流量分配不满足要求。②优化后，侧除霜风量满足要求，主驾前挡出口风量略大；在除霜风道内增加了导向侧除霜风道的通风道，压损增加了约24.7 Pa；③侧除霜的风量分配大小取决于车辆发动机水温的升温速率，若升温较慢，可取8%到10%的风量分配。

2.2 前挡风玻璃速度云图

图4中空缺部分为风速＞1.5 m／s区域。由图4中可见：优化前，前挡玻璃表面A区区域风速较低，A′区区域风速较低；优化后，A区、A′区的玻璃表面风速均大于1.5 m／s，B区风速也得到明显改善。

图4 优化前后玻璃表面速度云图 （1.5 m／s参考）

通常情况下，汽油机除霜前挡玻璃采用1.5 m／s风速作为判断标准，可以满足除霜国标要求，柴油机由于温升较慢，会参考2.0 m／s风速分布进行判断，见图5。

图5 优化前后玻璃表面速度云图 （2.0 m／s参考）

图5 中空缺部分为风速＞2.0 m／s区域。参考2.0 m／s的风速可以发现：在优化前，除霜风量小于2.0 m／s的区域在A区A′区占据太多；优化后，A区、A′区的玻璃表面风速基本大于2.0 m／s，B区风速也得到明显改善。

根据优化后前挡玻璃表面1.5 m／s、2.0 m／s风速分布来看，优化后，可以满足除霜要求。

2.3 侧窗玻璃速度云图

图6中空缺部分为风速＞1.5 m／s区域。优化前，侧窗玻璃指定除霜区域 （即驾驶员后视镜视野区域）表面风速较低，除霜效果差，不能满足要求；优化后，侧窗玻璃指定除霜区域表面风速基本大于1.5 m／s，风速分布较合理。

图7中空缺部分为风速＞2.0 m／s区域。优化后，侧玻璃指定除霜区域表面风速基本大于1.5 m／s，2.0 m／s风速区域较小。根据以往分析经验，侧除霜由于除霜区域小，离出风口较近，除霜速度比前挡玻璃快，因此侧除霜采用1.5 m／s风速可以满足要求。

图6 优化前后侧窗玻璃表面速度云图 （1.5 m／s参考）

图7 优化前后侧窗玻璃表面速度云图 （2.0 m／s参考）

2.4 前挡风玻璃除霜风轨迹优化

图8 为优化前后前挡风玻璃除霜风轨迹图。优化前，前挡玻璃风轨迹线分布不理想，前挡玻璃除霜区域表面风速分布不均匀，中间风速低，两侧风速高；由除霜风轨迹图可以看出：除霜风在A区出现分布不均匀的情况，且在除霜出风口处出现涡旋，不利于除霜。

优化后，由轨迹图可以看出：前挡玻璃表面风速分布均匀，A区、A′区域均有风量覆盖。

图8 优化前后前挡风玻璃除霜风轨迹

2.5 侧窗除霜风轨迹优化

从图9、图10中可以看出：在优化前，主驾和副驾的除霜风落点较低，除霜风不能打到侧窗的驾驶员视野区域的玻璃上，不利于除霜，影响驾驶员安全驾驶；优化后，侧除霜风的落点合理，且风速明显提升。

图9 优化前后主驾侧窗除霜风轨迹

图10 优化前后副驾侧窗除霜风轨迹

3 校核数据及整改

在CFD分析的过程中，三维数据的修改和分析是同步进行的，下面介绍在达成以上分析结果时对除霜风道三维数据的设计修改。

图11：风道外扩可减少压损，降低噪声，增加风量流动平顺性。图12：圆圈区域内原始模型可取消，减少前除霜格栅的长度，减少除霜风量的分散和浪费，可以看到在图8a中，优化前风量分散到两边较多，优化后在图8b上可见风量在前挡风玻璃的中间聚集且均匀分布。图13：原始模型中除霜风道出风口转弯太急，压损和噪声过大，导致除霜风击打到前挡风玻璃处的燃烧点不合理，因此将出风口改平缓，合理改善燃烧点位置。为提高侧除霜的风量，在主除霜通道内增加侧除霜的分风道，如图14所示。

图11 主除霜通道靠近中间位置风道外扩

图12 主除霜通道靠近格栅位置管型调整

图13 主除霜管型调整

图15 ：在主除霜通道内增加挡板可使除霜风在前挡风玻璃上均匀分布，保证除霜风能均匀吹到前挡风玻璃的A区、A′区等。图16：侧除霜格栅挡板的调整可让风吹到驾驶员在侧窗玻璃上的视野区域，保证驾驶员的视野清晰；侧除霜的风道管型调整能降低压损，提高风量，如图16所示。

图14 在主除霜通道内增加侧除霜分风通道

图15 在主除霜通道内增加挡板

4 总结

图16 侧除霜管型及格栅挡板角度调整

根据CFD分析结果，对空调的除霜风道进行优化和整改，在保证与其余分组间隙满足的情况下进行多轮分析，输出最终的三维数据模型。由以上分析可以看到，CFD分析可以帮助调整风道的风量分配，优化前挡风玻璃和侧窗玻璃上的除霜风轨迹，改善除霜效果的同时保证车辆的驾驶安全性。

CFD分析对空调系统的风道设计具有很强的指导功能，可以分析指出风道设计中的缺点并加以改进，在实际的汽车空调设计中有非常广泛的运用。掌握CFD分析的方法对空调系统的设计能力具有非常大的提升。