某商用汽车空调出风口温度场模拟及优化

权妮 聂永红 洪进 张永波

摘 要：汽车空调是保证整车舒适性的重要标志。本文针对某商用车平台化开发空调项目，采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的方法，建立了汽车空调分析模型。使用大型CFD软件STAR CCM+ 对汽车空调内部流场和温度场进行模拟和分析，在不改变整体模型的基础上，通过对风门结构和壳体的局部优化，使出风口的速度均匀性明显改善，降低出风口左右温差，提高了整车舒适性。

关键词：CFD；汽车空调（HVAC）；温度场；速度均匀性

中图分类号：U463.61 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2019）01-0105-05

Abstract： Automobile air-conditioning is an important device to ensure vehicle comfortability. By using the vehicle air condition duct system was established base on CFD method. The inner air-flow and temperature field of HVAC was simulated and analyzed by CFD software STAR CCM+. The performance of the air condition duct system was improved through optimization the outlet of HVAC housing and flap to increase the air distribution. All these improvements can obtain a reasonable air distribution of air duct and improve the vehicle interior comfortability.

Key Words： CFD； Automobile air conditioning （HVAC）； temperature field； velocity homogeneity

引言

随着我国经济的不断发展，汽车已经成为生活工作中重要组成部分，人们对整车舒适性的要求越来越高，这样就对空调系统的设计提出了更高的标准和要求[1]。汽车空调系统不仅仅要提供合适的空气温度和相对湿度，还要满足车厢内部温度及风速分布的要求[2]。CFD（Computational Fluid Dynamics）技术可以模拟汽车空调内部流场和传热情况，可以对空调出风口的温度及速度均匀性做出评价，对驾驶室内部舒适性的研究具有重要的指导意义。

本文依托某商用车平台化设计汽车空调开发项目，在设计中期试验验证过程中发现半模式下吹脸出风口左右温差相差太大，不满足内部标准和客户要求。因其采用零件共用开发策略，外围条件及风道均采用原有车型的设计不能变更，通过对汽车空调（HVAC） CFD模拟及优化风门结构，使出风口左右两侧温差满足标准，速度均匀性明显提高，并改善了整车舒适性，为后期开发研究提供了可行性方案。

1 CFD建模分析

1.1 空调气动性能简介

假设空调内部空气为不可压缩流，忽略分子黏性的影响，湍流模型采用Realizable k-?两方程模型（整个流体是完全湍流）。该模型可较精确地模拟如空调进风口、出风口的扩散速度，并且在带方向压强的边界层计算、分离计算和旋转流计算等方面具有较高精度[2～4]。流体运动及换热研究的基本控制方程为[3]：

1.2几何模型处理

采用通用CAD软件CATIA建立HVAC几何模型，提取HVAC内部流体的实体区域，在实体模型中按照内部标准布尔运算减掉叶轮和热交换器（蒸发器、暖风芯体），并将简化后的蒸发器及暖风芯子加入到实体中.汽车空调几何模型及出风口位置如图1所示：

1.3 边界条件设置

采用稳态分析方法，入口设置为速度入口，根据入口流量、叶轮尺寸及经验公式得到入口x、y、z三个方向速度分别为u=4.283 m/s，v=60.542 m/s，w=3.594 m/s，出口设置为压力出口。由于热交换器（蒸发器、暖风芯子）是由扁管和波纹散热带组成，该结构对空气的流动过程影响很大，一般在流体计算过程中将其设置为多孔介质，其中惯性阻力特性值和黏性阻力特性值分别由其单体试验压降和流速的拟合关系得出（该惯性阻力特性值和黏性阻力特性值的是根据东风马勒的产品实际测试拟合得出，其他公司产品或存在差异），如图2所示換热器阻力特性曲线。不同的域之间通过interface连接并传递能量，其他设置为壁面边界条件。

1.4 网格生成和计算

本例基于RBM（region base mesh）的网格划分方法，空调的开度和出风口出风比例均由风门控制，为了更准确模拟空调内部结构，风门按照实际装配情况建立模型，不单独简化。模型建立中由于风门轴会穿透壳体，会产生大量pierced faces（default）的错误，故结合使用包面方法（surface wrapper）和面网格重构（surface remesh）功能将导入的初始网格处理成质量更好的面网格，面网格的质量直接影响体网格的质量，网格质量的是保证计算精确度的重要指标，体网格选用分别trimmer和prism layer mesher 网格类型。如图3所示，体网格总数约310万。

2 汽车空调及风道系统CFD分析及改进设计

2.1 原方案分析结果

在设计初期试验验证时发现半模式下吹脸出风口左右温差16.5℃，远远超过内部标准及客户标准（2℃），因其吹脸风道结构是左右分，将导致司机侧和乘客侧温差太大，大大降低整车性能和舒适性。采用CD-adapco公司最先进的连续介质力学数值技术开发的CFD求解软件STAR CCM+，对汽车空调内速度场和温度场进行分析，根据残差、进出口流量及热平衡监测计算结果，判断计算结果是否收敛。可得到原方案速度分布、出口温度、各面的均匀性等设计参数。如表1和图5所示。

由图4空调内部流场和吹脸出风口温度可知，因结构设计原因导致从蒸发器中出来的冷风和暖风出来的热风均流向了吹脸出风口的右侧[5]，且冷风速度高于热风速度致使吹脸出风口右侧温度明显高于左侧，在整车装配中将会使司机侧和乘客侧温差相差较大。

2.2 优化方案及分析结果

根据原方案的分析结果，综合考虑整车平台化设计的理念及零件共用开发的策略，不更改空调在整车的位置及边界条件，通过优化吹脸风门结构，强制导流使冷热风混合均匀，使冷热风在出风口处混合，改善出风口的速度均匀性及温度分布，缩小司机座和乘客座的温差，提升整车的舒适性。

1）优化方案

如图5所示，方案1和方案2在吹脸风门上增加不同大小的导流板，试图通过导流板将热风强制导向初恋风口左侧，方案3将导流板改成格栅状，模拟数据如表2和图6所示：

由上述分析结果可知，因出风口设计及风门挡板影响，方案1-3并没有使左右两侧风混合均匀，两侧温差及均匀性均不满足客户要求。

2）最终方案

通过方案1～3的分析结果，综合考虑模具制造的难易程度及加工成本，在吹脸风门上增加导流。根据实际流体在HVAC内的走向，经过对导流管的开口大小、导流管布置的多次模拟分析，最终方案如图7所示：

分析结果如图8和表3所示，通过在吹脸风门上增加导流管，强制将暖风出来的热风导向吹脸出风口的左侧，使冷热风在出风口处混合，左右温差由设计初期的16.5℃减少到1.2℃，满足客户及内部2℃温差的标准，吹脸出风口的均匀性也有原来的50%增加到82%。

3）试验验证

如图9所示空调性能验证试验由空调总成、风量台、模拟风道、控制台架及温度传感器等组成。为了准确验证出风口温度，在出风口四周中心位置按照标准分别布置传感器，最终的出风口温度为四点采样值的平均值。试验结果如图10所示，CFD分析结果与试验结果基本接近，因模拟中计算误差及试验环境温度湿度、样件制作装配过程产生误差等原因，故CFD分析结果和试验结果存在少许偏差，但分析精度已达到公司标准95%的要求，并已得到客户认可。

3 结论

本文采用计算流体力学方法对汽车空调进行了流场和温度场模拟和优化，在不改变空调壳体边界的基础上，在吹脸风门出风口上增加导流管及空调壳体局部优化，降低半模式下吹脸出风口左右温差，提高出风口速度均匀性，对驾驶室内部舒适性的研究具有重要的指导意义，同时对于项目开发后期试验验证出现问题，在不影响整体模具的基础上，可以在小的零件上增加引风管，或者挡板来解决实际中风量分配、均匀性、噪音等问题，为项目开发研究节省费用和时间，为后期的研究提供了可行性方案和思路。

参考文献：

[1]权妮，聂永红等.基于STAR-CCM+汽车空调风道系统优化分析[J].汽車空调，2017，1（125）：32～38.

[2]Z Gu，H Shen，Z Yang等. Improvement of vehicle air-conditioning duct and analysis of its impact on occupant thermal comfort，《Journal of Chongqing University》 ， 2013 ， 36 （8）：91-96+104.

[3]李明，李明高.STAR-CCM+与流场计算。[M].机械工业出版社。2011.

[4]周建，阎维平等.SCR反应器入口段流场均匀性的数值模拟研究[J].热力发电，2009，38（4）：22～25.

[5]聂永红.D310空调热平衡及回热问题的原因分析及改进[J].装备维修技术，2009，3（133）：21～26.