某空调机组CFD分析与研究

2019-10-24苏健张克鹏

专用汽车 2019年10期

苏健张克鹏

浙江盾安人工环境股份有限公司浙江杭州 310020

1 前言

近年来，随着国家对车辆环保的要求和消费者对空调舒适性要求的日益提高，空调在整个商用车开发设计过程中显得越来越重要。纯电动商用车辆由于受到续航限制，对能耗要求较为苛刻，而空调作为纯电动商用车的主要能耗系统，高效节能的空调是纯电动商用车开发过程中必须考虑的。空调机组作为空调的重要组成部分，其空气侧气流分布均匀性是影响性能的重要因素之一[1-4]。

CFD(computational fluent dynamics)仿真技术在工业领域的应用得到越来越多的认可。它是伴随着计算机技术和数值计算技术的发展而发展的，利用计算机求解流体的各种守恒控制偏微分方程组的技术。本文以某纯电动商用车空调机组为研究对象，运用计算流体力学技术，基于商用CFD软件ANSYS Fluent软件的有限容积法模拟空调机组的流动状况，进行仿真分析，观察空调机组内流场分布及换热器表面速度等信息，为空调系统性能提升提供理论依据。

2 流体力学方程

计算流体力学是把描述空气运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程组，并在计算机上求解。通过微分方程的离散化和代数化，把偏微分方程转化为代数方程，再通过适当的数值计算方法求解方程组，得到流场的数值解，然后通过不同的拟合方法把节点解拟合到网格的对应区域。

流体流动时所有介质满足物理守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。在流体流动处于湍流状态时，整个体系还要遵循湍流运输方程。以上这些守恒定律的数学描述，统称为控制方程。文中选用CFD软件中提供的Realizable k-ε湍流模型进行数值计算[5-7]。

湍流控制方程为三维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程：

（1）质量守恒方程：

（2）动量方程：

（3）能量方程:

其中div为矢量符号，div(a)=∂ax/∂x+∂ay/∂y+∂az/∂z，grad为梯度符号。

式中，ρ为流体密度，kg/m³；t为时间，s；u为速度矢量，m/s；u、v、w是速度矢量u在x、y、z方向的分量；x、y、z为流体流动方向；p为流体微元体上的压力，N；τ为粘性应力，Pa；Fx、Fy、Fz为x、y、z三个方向上微元体体力，N；T为温度，K；k为流体换热系数，W/(m2·K)；cp为流体比热容，J/(kg·K)；ST为流体内热源和由粘性作用引起流体机械能转变为热能，J[8-9]。

3 模型建立及边界条件

3.1 三维模型建立

计算模型为某纯电动商用车空调机组，采用SolidWorks建立其三维模型，如图1所示。几何模型生成后，为了建立有限元模型，需要将空调机组模型从SolidWorks中导出为.stp格式。

图1 空调机组3D模型

3.2 网格模型建立

针对该空调机组，文章采用ANSYS仿真平台CFD专业前处理软件ICEM CFD进行几何清理和网格划分，面网格全部采用三角形网格，为获得空调机组计算域入口处更好的计算收敛性，在其入口边界进行外部拉伸，拉伸长度为入口直径的3倍。空调机组流体计算域模型及机组网格模型分别如图2、3所示，最终形成非结构化四面体网格6 145 895。

图2 空调机组流体计算域

图3 空调机组网格模型

图4为空调机组模型网格检查情况，其中横坐标为网格质量，1代表最好，0代表最差，纵坐标为网格数量。从图中可以看出，空调机组模型网格质量都在0.35以上，网格质量较好，满足计算要求。

图4 空调机组模型网格质量

3.3 边界条件的设定

由于纯电动车辆一般工作环境在-20℃～40℃，空气的物理参数随温度变化不大，因此对该空调机组内部流动情况的研究仅考虑流场内空气的流动特性，对温度场的变化情况暂做忽略，计算流动工质为空气，空气密度ρ=1.18 kg/m³。具体设置如下：

a.总体设置：流体为空气，不考虑能量转化，仅作流场分析。计算软件为大型CFD商用软件ANSYS Fluent，采用稳态计算，湍流模型选择Realizable kε模型，进出口边界条件选择流量进口、压力出口风扇fan边界条件，换热器采用多孔介质模型，风扇用二维模型。压力速度耦合采用SIMPLEC算法，离散格式采用二阶迎风格式。

b.进口边界条件湍流定义方法为湍流强度+水力直径，流量进口设置为V=6 500 m3/h，湍流强度为5%，水力直径为0.221 m。出口边界条件湍流定义方法也为湍流强度+水力直径，出口压力为P=140 Pa，湍流强度为5%，水力直径为0.354 m。

c.换热器作为多孔介质模型，需要通过换热器的流速和压降关系计算多孔介质模型的惯性阻力系数和粘性阻力系数。在CFD软件中，多孔介质的压降公式表示为：

式中， D p为流体经过多孔介质后的压降，Pa；Pi为多孔质的惯性阻力系数， kg/m3；v为流体经过多孔介质的等效速度，m/s；Pv为多孔介质的粘性阻力系数，kg/m2·s；L为多孔介质轴向长度，m，表1为换热器风量-压力损失试验结果。根据表1得到图5所示的曲线，并拟合多项式。根据二次多项式前的系数和相关公式计算出多孔介质模型的粘性阻力系数14.364 kg/m2·s，惯性阻力系数为0.448 kg/m3。