某型电动客车空调系统风道优化的设计

魏家静

金肯职业技术学院 江苏省南京市 211156

1 引言

根据最近几年中国客车行业的快速发展，客车的研发要求已然发生巨大的改变，消费者对客车整体的舒适性、节能性等提出更高的要求和期待。作为客车上重要的部件之一，电动客车空调的研究探索与性能开发也为电动客车引出了新的研究方向。

客车空调制冷性能使用效果的评价指标为降温能力以及车内温度场的均匀性，影响降温能力的因素有空调制冷量、风道内的热损失和实际制冷量。影响车内温度场的均匀性的因素有：空调的位置布置和风道出风口的布置。因此整车降温能力和车内温度的均匀性都受到风道设计的影响。本文就是从风道这个方向入手，通过改变风口形状及风道面积来进行空调性能的一系列优化，以提高乘客的乘坐舒适性。

2 空调的选型与风道模型的建立

2.1 客车空调的选型

根据以上表1可知，该款空调的蒸发风量为每小时3200 立方米。

表1 松芝空调产品参数

风道设计计算

（1）风道截面面积计算

风道总的送风截面面积Fo=Lo/3600Vom；

Lo-蒸发器的送风量3200m/h；

Vo-风道内冷空气的流速，取5-8m/s；

经计算得：Fo=0.136m。

乡村振兴，路先行。为彻底改变过去“下雨泥水一路淌，婚嫁车子进不了庄，稀泥糊子腿肚子深，十天八天难出村”的境况，该村积极开展“道路革命”，着力抓好道路提升工作，按照“建好、管好、护好、运营好”和“不走泥路、不走黑路、不走急路”的“四好三不”道路建设要求，实施道路硬化、树木绿化、路灯亮化、长效机制净化、标识标牌标线规范化“五化”建设，达到让群众方便出行、安全出行、文明出行、美丽出行的“四行”目标。目前，该村共修建水泥路4438米，改善了全村交通落后面貌，使广大群众走上了“致富路”。

（2）风道的截面面积

S=Fo/n m；

本文所用的空调是双侧单风向送风风道，所以n 的值为2。

经计算得S=0.068m。

（3）风道送风口风速的计算

一般取2-5m/s。

2.2 应用CATIA 软件建立空调风道模型

本文中空调风道模型的建立运用的是CATIA 软件，本文之所以选择CATIA软件，因为其特殊的三维绘图功能能将风道系统几何模型展现得真实立体，且结构清晰明了，方便后期的流场模拟。

由于风道的内部结构较为复杂，所以这里把它简化成以下结构：主体由两排通风道构成，总长为8000mm。在两风道的水平侧面位置安装空调器，这里简化成圆柱体，在空调器与风道之间连接的是两根进气歧管，风道的出风口安排在风道的正下方，规格是40mm×20mm，间距为343mm。

图2 CATIA 三维建模图2

2.3 应用ICEMCFD 软件划分网格

本文网格的划分采用的软件是ANSYS ICEM CFD，生成网格是计算流体中最重要的环节。因ICEM 的功能很广，结构与非结构网格以及混合网格都可以生成，只要设定好我们所需要的模型与精度要求，网格的类型就可以确定下来。由于本文的流程模拟工作大部分由计算机来做，因此划分生成网格占据了这部分工作的主要内容，工作效率的提高直接取决于网格质量。计算求解器采用 FLUENT 软件，其在传热、流体的流动、多相流、燃烧等CFD 计算中被广泛的应用。以下就是空调风道模型网格图。

图3 网格划分图1

图4 网格划分图2

图5 网格划分图3

2.4 应用FLUENT 软件进行流场模拟计算

FLUENT 软件可以支持包含ICEM 在内的多种网格软件，其功能是可以分析模拟复杂区域的传热现象和流体的流动。它能够用于多种网格求解，各种需求的三维计算也能用它进行分析。Fluent 软件能够对多种复杂流动问题进行模拟仿真。

1.先打开网格文件，选择File →Read →mesh →Display；2. 指 定 计 算 区 域 的实际尺寸，在Gambit 建立区域时没有尺寸的单位，此时应该进行确定，Y →设 置 成-9.81， 点 击scale →select →选 择mm， 并check， 没 有 出 现 负 值时方可进行下一步；3. 选模选择湍流方程；4. 指定边界条件和求解区域的材 料，Define →Models →Boundary conditions →inlet（入口）→在velocityinlet 中选择velocity-inlet →设置初始流速 为2m/s →Specification Method →K and Epsilon →models →选 中energyoff →设 置 初 始 温 度 为295k；5. 在 设置 出 口 时， 在Type 中 选 择outflow，在wall-down 和wall-y 中 都 默 认 原来的初始温度300k；6. 选择计算方式，Solution →SIMPLEC →Solution Initialization → 选 择 所 有 区 域all zones 开 始 初 始 化；7. 开 始 运算Run Calculation → 选 择 次 数100次 → 开 始 计 算；8. Graphics and Animations →Contours →Temperature →选中区域查看温度云图。

2.5 云图分析

由云图显示，两侧风道的主体颜色为浅蓝，所对应的温度范围是296+0.2k，局部区域为浅绿，所对应的颜色范围是298+0.2k，风道两侧的流场温度不是特别均匀，与入口设定的初始温度295k 相差不大。速度矢量图显示的单个风口的速度在1.35m/S 左右，与设定的初速度2m/s 相差也不大。总体而言整个模拟过程还算顺畅，但是未能达到十分均匀的状态。车厢内部的流场与温度场不仅与客车内部结构有关还与风道的结构形状有关，因此在下一章节中我将重点从风道的方面来对客车进行内部流场的优化。风道的布置走向、占用空间以及风道中空气的流速等均是模拟的影响因素。

3 风道优化的设计

3.1 设计考虑的因素

高质量的空调系统需要满足以下几个条件：1. 安装简单，维修方便2. 运行时噪声小3. 送风均匀且车内温度分布均匀4. 舒适性好。由于客车内乘客较多, 车窗多, 接受太阳辐射多, 经冷热交换后由风道口排入车厢, 必然引起车厢内空气的流动, 因此送风口的结构形式、布置位置及风道设计都将影响车厢内气流组织的流动,影响车厢内温度均匀性与降温速率。考虑到乘客多以及车窗多这两个因素，客车的太阳辐射面积变大且发生冷热交换的气流量也会增大，经过大致计算得该客车车身总热负荷为55109kJ/h，若要保证车内气流组织流动均匀，送风口的结构形式、布置位置以及风道设计都要做出合理的优化改善，这样才能提高车内的温度均匀性以及降温速率。

由于风道初步设计的参数不够完美化，因此流场的模拟效果并不是令人十分满意。从上图我们可以看到出风口的温度云图还存在较大的温度梯度，这意味着电动客车内部的温度流场并不均匀，客人会有忽冷忽热的体感，本着提高乘客舒适度的原则，因此我们需要做出一些优化措施来改变流场温度的均匀性。以下将从出风口形状和风道的截面积两个方面来进行风道的优化设计。

3.2 改变出风口的形状

空调出风口的位置，大小，型式直接影响到车内气流速度，流动方向，流场组织，本文从型式也就是形状着手。市面上的空调出风口的形状大致有矩型、圆型、条型等几种。首先，优化从改模型开始，用CATIA 软件将原来的风口尺寸改为半径为16mm 的圆形风口，并将原来的矩形尺 寸40mm×20mm 改 为10mm×80mm的条型风口。然后如上文所提到的步骤一样，划分网格，并进行模拟，模拟的温度与速度矢量图如下。

图6 矩形风口的温度云图

图7 条缝形风口的温度云图

图8 圆形风口的温度云图

由温度的梯度跃变显示，圆型风口的流场温度更为均匀，能够满足乘客的舒适度要求

图9 矩形风口的速度矢量图

图10 条缝形风口的速度矢量图

图11 圆形风口的速度矢量图

从图中可以看出圆形出风口的效果最好。

3.3 改变风道的截面积

云图中温度场的分布位置是空调送风效果的直接反映，我们可以通过选择恰当的风道截面来解决车厢后部热量积聚的问题，以调整车内气流组织的均匀性，发挥空调的最佳性能。

风道的截面如图12 所示。因空调机组在车厢尾部安装, 后顶部空间小, 原车后排没有空调出风口, 使后排乘客无法享受到冷气。由于空调机组安装在车厢的尾部，后顶部空间窄小，所以在后排并没有设置空调的出风口，因此坐在后排的乘客并不能感受到冷气。在本文设计中后排增设4 个空调出风口, 并在主风道中增加小挡板以形成冷风分道,后经软管分别送至后排圆形出风口。在考虑到挡板的结构形状角度以及高度等因素后（这些都会影响到前后风量的分配以及出风口风量），应将原来风道的截面优化成如图12b 所示的形状。这个结构的优点有：1. 能够给后三排提供冷气，保障整个车内冷气的流通；2. 对主风道的送风效果不会起到任何影响作用；3. 解决了近风道挡板处出风口风量太小的问题。

图1 CATIA 三维建模图

图12 风道截面图

对模型图加以修改后，重新划分网格进行模拟计算，得到云图如下所示。可以很清楚得看出来有了风道截面的改善后，风道内的流场较前均匀，因此改变风道截面可以有效优化车内流场。

图13 截面的温度云图

图14 截面的温度云图

图15 截面的速度矢量图

图16 截面的速度矢量图

4 总结

因为本文重点只研究了客车夏季对空调的制冷需求，因此根据客车设计参数计算了空调夏季所需的制冷量，并对应地在松芝空调品牌里找出了适合功率的空调类型。然后利用CATIA 软件对空调风道进行第一次三维建模，后对模型进行网格划分，最后用FLUENT 软件进行客车内部流场的模拟。通过模拟计算后的云图分析结果显示，由于最初建模时没有将风道各个结构充分考虑到位，温度云图难免会有较大的温度阶梯，因此导致车内流场的不均匀性。所以在任务后期，需要对已建立的模型进行优化，本文主要从改变风口的形状、改变风道的横截面、两个方面来对风道优化处理。在根据以上两个方向修改过模型之后，重复上述已介绍的步骤，进行网格划分，流场模拟，最终通过比对温度云图的均匀性和速度云图的均匀性来选择最优的设计方式。