不同湍流模型下的汽车空调风道仿真分析

黎 帅 林银辉 江风雨

不同湍流模型下的汽车空调风道仿真分析

黎 帅1林银辉1江风雨2

（1.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广州 511434；2.江淮大众汽车有限公司 合肥 230022)

汽车空调风道结构影响着风道中气流的流动阻力、气动噪声和出风指向性。在车型开发的早期准确地计算风道中的流体运动可以在缩短开发周期和减少开发成本的基础上，提高乘员舱的舒适性。为了减少CFD仿真的误差，当前的研究探讨四种湍流模型对风道压损和流量分配的影响，并与四种模型的计算均值对比。结果表明，四种湍流模型的压损仿真值差异在32Pa以内，v2f湍流模型在压损和流量分配的计算上与四种湍流模型计算的均值最为接近。

汽车空调；风道；CFD仿真；湍流模型

0 引言

空调系统可以改善乘员舱内的空气状态，具有调节温度、湿度和通风净化等作用，直接关系到乘员舱的舒适性。送风风道是汽车空调系统中重要的部件之一，其设计水平直接影响车内气流流动阻力、气动噪声和出风指向性。准确地分析计算空调风道流动阻力和风量分配，对评价风道设计的合理性和提高乘员的舒适性非常重要。随着CFD（Computational Fluid Dynamics）计算流体力学的发展和成熟，在车型开发的早期，对空调风道中气流的流动进行仿真分析，可尽早地暴露设计存在的缺陷和不足，继而针对性地提出改进措施以缩短开发周期，减少开发成本。

当前使用CFD方法对空调系统中的风道进行的研究较多。文献[1-4]对汽车空调吹面风道进行了CFD仿真计算，分析了空调吹面风道的气流流动状况，并基于这些流动特征对空调风道设计的进行了评估与改进，并针对性地采取措施，提高了汽车空调整体的使用性能。文献[5，6]对除霜风道进行了数值模拟，研究了结构型式、进风口温度和风量、除霜格栅角度多个因素对前挡风玻璃除霜性能影响。文献[7-11]分别采用了CFD的方法对客车、地铁、地铁车站、列车和矿山车辆乘员舱的空调系统进行了数值模拟和改进研究。一些研究对空调系统的风道进行了优化研究，文献[12]在改进空调风道系统时，通过实验设计方法选取40个样本点，建立了三阶响应面模型，然后利用遗传算法对该响应面模型进行优化设计。以上研究均采用CFD的方法对空调风道进行了深入的研究，仅有个别文献与试验值进行了对比以比较误差大小。由于几何模型的简化处理、网格尺寸和湍流模型的选择，仿真难免存在计算误差。

文献[13]比较了低雷诺数下不同湍流模型和差分格式对典型流场数值模拟预测的影响。文献[14-17]采用不同湍流模型研究了库区水温、燃气轮机进气系统、圆柱面凹坑传热、狭缝湍流冲击射流的计算精度进行了研究，结果表明RNG-、标准-、v2f、Realizable-对于相应的研究对象均体现出了一定的优越性，即不同的研究对象适用的湍流模型不同。文献[18]认为SST-湍流模型与其他湍流模型相比具有突出的优点。本文采用CFD仿真的方法，使用4种湍流模型分析了对汽车空调吹面风道压损和流量分配的影响。

在第一部分介绍汽车风道的几何模型，第二部分阐述仿真边界条件的设置，选择网格划分策略和湍流模型。第三部分对CFD仿真结果进行比较，第四部分对结论进行说明。

1 汽车空调风道几何模型

图1 吹面风道结构示意图

汽车空调的风道由HVAC（Heating Ventilating Air Conditioning）单元（包含鼓风机总成、暖风芯体、蒸发芯体、混风门等部件），风道，流量风门，左右调节叶片和上下调节叶片组成。空调吹面风道的几何结构如图1所示，选取某已上市紧凑型轿车设计初期的风道作为研究对象，虚拟的HVAC单元长宽高分别为320mm×100mm×500mm，保证风道入口处的湍流充分发展。风道起着引导流体流动的作用，将HVAC中的流体分配到四个风口，风道截面宽和高约为75mm×50mm，长度如图1所示。叶片的作用是调节风道出口处流体的流动方向，采用厚度为3mm的多叶片，叶片朝向为设计状态位置，如图2所示。扩散腔的作用使得风道出口的静压为0，并使整个计算域出口的总压尽量小，扩散腔的尺寸为4000mm×2800mm×2000mm（见图3），使用interface传递风道与扩散腔两个域中的数据。读取风道压损数据时取风道入口处横截面流量平均的总压值。风道三维坐标系的原点、方向同整车坐标系一致，如图3所示。

图2 中左出风口及叶片结构示意图

图3 扩散腔的结构示意图

2 仿真设置

2.1 边界条件和流体参数

风道中的流体选择为25℃时不可压缩的干空气，密度、动力粘度分别为1.185kg/m3，1.835×10-5Pa/s。质量流量取值为0.128kg/s（见图1，可换算为体积流量390m3/h），忽略空气物性参数随温度和压力的变化。压力和速度场耦合算法为SIMPLE，动量、湍动能、湍流耗散率和能量空间离散算法为二阶迎风格式。所有壁面均为无滑移壁面，扩散腔出口为压力出口，出口压力为0（见图3）。

2.2 湍流模型和网格划分策略的选择

对于三维稳态的不可压缩流体，连续性方程、动量方程和能量方程可以用以下形式来表示。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中，为流体密度；、、为速度在X、Y、Z方向上分量；f、f、f为单位质量流体分别沿X、Y、Z方向的受力。c是流体比热容；是温度；为流体传热系数；S为粘性耗散项[19]。

合适的湍流模型对于准确地预测流体的流动至关重要，由于仿真软件Star ccm+没有RNG-湍流模型，因此选取了Realizable-、Standard-、SST-和v2f四种模型来仿真风道中稳态和时间平均的流动特点。考虑到不同的湍流模型适用的近壁面网格处理不同，为了尽量保证网格划分的一致性，在STAR ccm+中可选择两层壁面的all y+近壁面处理方式，要求y+小于1。对于-模型和v2f模型边界层的总高度为0.35mm，分为3层，增长率为1.15；-模型边界层的总高度为2.05mm，分为10层，增长率为1.15，以保证前三层边界层高度与-模型和v2f模型一致，均为0.35mm，如表1所示。

表1 不同湍流模型的近壁面网格

在Hypermesh中对模型表面进行几何清理，抽取吹面风道的内表面并划分面网格，面网格的尺寸为2。导入Star ccm+，划分体网格，采用trim网格，体网格数量达到了为2500万。对于一台4CPUs和32G内存的惠普Z440工作站约需要16小时才能达到计算的精度。

3 结果分析

3.1 风道压损

不同湍流模型的压损如表2所示，压损为风道入口截面流量平均的总压值。各个湍流模型下，左风道与右风道压损相近，比中风道高2-3Pa，中风道的压损除v2f和Realizable-湍流模型外均与参考均值误差较大，v2f和Realizable-均与参考值的误差在2.1%以内，处于同一水平。SST-模型中风道的仿真值为252Pa，偏大；Standard-模型中风道的仿真值为220Pa，偏小，与参考值的误差分别为7.0%和6.6%。

对于风道压损的计算，v2f和Realizable-湍流模型的结果与参考值比较误差更小，要好于另外两个湍流模型。

表2 不同湍流模型的压损

3.2 流量分配

表3 不同湍流模型的流量分配

不同湍流模型的流量分配结果如表2所示，流量分配数值上的差异较小，取四个湍流模型的均值作为参考基准，v2f湍流模型的流量分配与参考值最为接近，误差在0.03×10-2kg/s以内，比例为0.9%。Realizable-湍流模型的结果虽然误差也较小，但是不及v2f模型好，误差可达到2.2%。SST-误差最大的出现在中右风道处，误差为0.26×10-2kg/s，与参考基准的比值为6.8%。

当前的计算模型网格数量为2500万，已经足够密，继续加密网格对计算结果的影响不大。

3.3 改进建议

图4 管道表面速度云图

管道表面速度如图4所示，在HVAC中速度较慢，进入到管道中后被分为四条支路，由于截面变小，气流的运动速度加快。到达管道的出口时由于导风叶片存在，流动的截面进一步变小，气流的运动速度被加快到10m/s。

图5 管道表面压力云图

管道壁面的压力分布如图5所示，入口处的压力值在250Pa左右，出口的压力值在0Pa左右，在有拐角的地方压力下降较快。尤其是在上图圆框内，压力损失最快，建议改善此处的管道走向，减少管道的扭曲程度，可以极大的降低压损。

4 结论

当前的研究采用CFD仿真方法对风道的压损和流量分配进行了探讨，结论如下

（1）采用四种湍流模型，比较了计算结果，湍流模型压损差异在32Pa以内，以均值作为参考，v2f湍流模型体现出了良好的精度。

（2）统计管道入口的总压作为压损，v2f和Realizable-均与参考值的误差在2.1%以内。

（3）v2f湍流模型的流量分配与参考值最为接近，误差在0.03×10-2kg/s以内，比例为0.9%，略好于Realizable-模型。

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Simulation Investigation of Automobile Air Conditioning Ducts under Different Turbulence Models

Li Shuai1Lin Yinhui1Jiang Fengyu2

( 1.GAC Automotive Research & Development Center, Guangzhou, 511434;2.JAC Volkswagen Automotive Co., Ltd, Hefei, 230022 )

The flow resistance, aerodynamic noise and air directionality in the air duct was influenced by duct geometry structure. Accurately calculating fluid flow states in the air duct can improve the thermal comfort of the passenger compartment on the basis of shortening the development cycle and reducing development costs. In order to reduce the error of CFD simulation, the current study selected four turbulence models and explored the difference on pressure loss and flow distribution of air duct. Compared with the average value of four models, results showed that the v2f turbulence model was closest to the mean value of the four turbulence models in the calculation of pressure loss and flow distribution, which showed a good superiority.

automotive air conditioning; air duct; CFD simulation; turbulence model

1671-6612（2019）06-613-04

U461

A

黎 帅（1992.08-），男，研究生，热管理工程师，E-mail：lishuai@gacrnd.com

2019-02-25