某电动车型空调管道和出风口的气动噪声分析

陈明柱 赵玉垒

（长城汽车股份有限公司；河北省汽车工程技术研究中心）

汽车的空调出风口与驾驶室相连，空调箱体的噪声直接进入驾驶室内，尤其是新能源汽车没有传统发动机的背景噪声，空调的噪声成为车内的主要噪声源[1]。伴随着鼓风机性能的提升，由气动噪声占主导的次要噪声源凸显出来[2]。空调管道存在凸起结构、曲率设计不合理、截面突变等问题，出风口也存在凹槽、末端截面突扩、缝隙狭小等问题，这些均容易产生气动噪声。文章以某纯电动车型空调管道和出风口为研究对象，利用计算气动声学（CAA）[3]方法对空调管道及出风口的仿真结果进行分析，找出噪声源分布[4]。根据噪声源和空调管道及出风口内流场分布等信息，提出工程可实现的优化建议并进行验证分析，从而降低了空调系统的噪声。

1 术语和定义

文章涉及的术语及其定义如下。

1）流致噪声。由于空调管道曲率变化及出风口结构复杂，导致气流不规则流动而产生的噪声。

2）宽频噪声。在零到正无穷频率都有声波能量的一种噪声。

3）大涡模拟。大涡模拟（LES）是对紊流脉动（或紊流涡）的一种空间平均，也就是通过某种滤波函数将大尺度的涡和小尺度的涡分离开，大尺度的涡直接模拟，小尺度的涡用模型来封闭。它区别于直接数值模拟（DNS）和雷诺平均（RANS）的方法，基本思想是通过精确求解某个尺度以上所湍流尺度的运动，从而能够捕捉到RANS 方法所无能为力的许多非稳态、非平衡过程中出现的大尺度效应和拟序结构，同时克服了DNS需要求解所有湍流尺度的成本问题。

2 仿真分析及优化

2.1 模型搭建

空调管道及出风口模型，如图1 所示，整个风道有4 个风道与仪表板上4 个出风口相连接。

图1 电动车空调管道及出风口几何模型

2.2 网格划分及边界条件设置

在风道入口法线方向延伸一段距离，将延伸管道作为循环体，用以模拟管道内充分发展的气流情况，如图2 所示。

图2 电动车空调管道及出风口循环体模型

空调管道和出风口仿真分析网格模型，如图3 所示。由于受流体粘性影响，管道内近壁面会形成一层附面层，因此，在近壁面设置了4 层边界层来模拟附面层的影响，计算模型网格约540 万个，分析工况为空调全负荷吹面模式，计算边界条件为：进口边界条件为自由边界（将循环体出口边界数据加载到管道进口边界）；出口为压力出口。瞬态计算以稳态计算为初始值，稳态计算采用RNG 湍流模型进行求解。瞬态计算采用LES计算模型，时间步长决定了计算的最高频率，根据奈奎斯特采样定律，可还原的最高频率只有采样频率的一半。气动噪声是宽频带噪声且能量主要集中在中低频，因此计算最高频率设定为2 000 Hz，对应的时间步长为 6.25×10-5s。

图3 电动车空调管道及出风口网格模型

2.3 原状态分析结果

对仿真计算结果进行后处理，得到空调管道及出风口内流场分布、面声源、体声源、压力分布等信息。图4 示出空调管道和出风口内流场。

图4 电动汽车空调原状态管道内流场

从图4 中可以看出，由于空调管道局部区域曲率过渡不合适，导致局部区域产生涡流，出风口设计不合理导致风口内存在涡流，有效面积小，致使出风口内流速较大。

2.4 空调管道及出风口优化分析

2.4.1 空调管道优化

在空调管道原状态的基础上对空调管道7 处局部出现涡流的区域进行曲率调整。

2.4.1.1 右侧管道优化

针对图4 中①②处的问题采取的优化方案，如图5所示。图5 中黑色线为原方案，红色线为优化方案。

图5 电动汽车空调右侧管道优化方案局部剖面图（YOZ 截面）

电动汽车空调右侧管道优化前后内流场对比，如图6 所示。从图6 中可以看出，由于右侧吹面管道与空调箱连接处管道成直角过渡，导致管道内气流与管道分离产生涡流；在原方案基础上对直角拐角进行优化后，管道内涡流基本消失。

图6 电动汽车空调右侧管道优化前后内流场对比

2.4.1.2 中间管道优化

针对图4 中③④⑤处的问题采取的优化方案，如图7 所示。图7 中黑色线为原方案，红色线为优化方案1，绿色线为优化方案2。

图7 电动汽车空调中间管道优化方案局部剖面图（XOY 截面）

电动汽车空调中间管道优化前后内流场对比，如图8 所示。从图8 中可以看出，中左和中右管道为一体式，由于空调箱与出风口间距离有限，导致管道不能充分发展，管道曲率过渡急，致使管道内产生涡流；在原方案基础上将两侧管道内收，从流场结果来看，优化方案1 基本没效果，优化方案2 使流场内的涡流明显减少。

图8 电动汽车空调中间管道优化前后内流场对比

2.4.1.3 左右两侧管道优化

针对图4 中⑥⑦处的问题采取的优化方案，如图9所示。图9 中透明黑色为原方案，土色为优化方案1，蓝色为优化方案2。

图9 电动汽车空调左右两侧管道优化方案

电动汽车空调左右两侧管道优化前后内流场对比，如图10 和图11 所示。从图10 和图11 中可以看出，左右两侧管道与出风口连接处曲率过渡不合适导致管道内产生旋流；在原状态基础上对管道曲率进行优化，优化方案1 使管道内旋流减少，优化方案2 效果最为明显，管道内旋流基本消失。

图10 电动汽车空调左右两侧管道（问题⑥）优化前后内流场对比

图11 电动汽车空调左右两侧管道（问题⑦）优化前后内流场对比

2.4.2 分风筋方案

由于中间两管道风量分配不满足要求，增加分风筋结构，但分风筋导致中间管道内气流分离，产生涡流，噪声增大。在原方案基础上调整分风筋位置，如图12 所示。图12 中黑色线为原方案，蓝色线为优化方案1，绿色线为优化方案2，红色线为优化方案3。

电动汽车空调中间管道分风筋位置优化前后内流场对比，如图13 所示。从图13 中可以看出，方案2 和方案3 的优化效果较小，方案1 优化效果最佳，基本消除了管道内涡流（同时满足风量分配要求，文章不对风量进行数据说明）。

2.4.3 出风口方案

由于扇叶装配问题，导致出风口壳体出现凹槽，进而致使出风口内出现涡流。出风口壳体的截面突变会产生因气流分离而形成的涡流区，会增大驾驶舱内噪声；出风口壳体存在凹槽减小了实际过流面积，导致出风口内气体流速增加，影响NVH 性能。为满足气动性能要求，去掉凹槽特征以达到减小或消除涡流的目的，如图14 所示。

图14 电动汽车空调出风口优化方案

优化前后空调出风口内流场对比，如图15 所示。从图15 中可看出，去除出风口壳体上的凹槽后，出风口内涡流消除。

图15 电动汽车空调出风口优化前后内流场对比

2.4.4 宽频噪声对比

空调管道和出风口的噪声主要分布在≤2 000 Hz的中低频。图16 示出空调4 个出风口的频谱曲线图。

图16 电动汽车空调出风口频谱曲线

从图16a 可以看出，在出风口 1 处，450～900 Hz、1 100～1 400 Hz 频率段处声压级下降明显，优化状态比原状态出风口的总声压级低2.1 dB；如图16b 所示，在出风口2 处，400～600 Hz 频率段处声压级下降明显，优化状态比原状态出风口的总声压级低2 dB；如图16c所示，在出风口3 处，300～600 Hz 频率段处声压级下降明显，优化状态比原状态出风口的总声压级低2.2 dB；如图16d 所示，在出风口 4 处，350～800 Hz 频率段处声压级下降明显，优化状态比原状态出风口的总声压级低2.8 dB。

3 结论

通过对空调管道及出风口的流致噪声分析以及结构改进，有效降低了4 个出风口的噪声水平，从仿真分析可以总结出以下措施：

1）风道尽量减少急转弯。由于空气流经弯管时，气流流向必然发生改变，气流脱离管道壁面，使局部区域出现负压，气流会在局部回旋，造成能量损失，产生噪声。为此可减小转弯处的局部阻力系数，增大弯曲处的曲率半径和减少弯管过渡次数。

2）避免管道断面突变。若风道断面突然变化，气流流速则会发生变化，部分气流脱离突扩壁面，在扩大截面处产生气流涡流，形成局部阻力，造成能量损失，因此在风道设计时应避免截面突然变化。

3）合理布置分风筋。由于气流流经分风筋时必然发生分离，产生局部涡流，造成能量损失，因此应该合理布置分风筋走势，减小管道涡流，降低气动噪声。

4）避免出风口内出现棱台。出风口内存在棱台会减小实际过流面积，导致出风口内气体流速增加，出风口壳体的截面突变，会产生因气流分离而形成的涡流区，增大驾驶舱内噪声，影响气动性能，因此需避免出风口内出现棱台。