空調進風口前端水管理及相應進風阻力關系

孟祥軍 錢銳 周滋鋒 嚴鵬 孫建逵

（泛亞汽車技術中心有限公司）

在目前汽車空調設計中，應使前端進風阻力盡量小，滿足風量的要求，同時也應滿足水管理要求。針對目前此問題的驗證，主要的手段是通過實車進行雨淋實驗和風量的測試，這樣就很難在設計初期進行相應驗證，導致后期更改難度大、成本高且浪費時間。文章通過對某款車型進行空調進風口的水管理及相應進氣阻力分析，在確定排水口的位置及大小的前提下，通過更改內部相應零部件的結構，使其達到設計要求，并通過分析得出水管理與進風阻力之間的相互關系。

1 模型計算

1.1 模型簡化及網格生成

模型簡化主要關注5 個重點零部件：1）前擋風玻璃，以最外側的面為基準，簡化為片體，模型在簡化過程中不能改變玻璃的曲率；2）進氣格柵上的小孔是水管理的重要的設計參數，簡化要保證小孔的開孔面積；3）雨刮電機是主要監測的零部件，在簡化過程中要保證最外面的輪廓形狀與實際模型相符，不要有大的改動；4）空調進風口與支撐板接觸的結構，要保證其精度，此處需要監測液位的高度；5）支撐板上的排水槽液劃分的網格要保證與實際的數模一致，這樣可以準確地判斷水的卸載能力。通過簡化，進氣格柵上的小孔及相關零件結構，如圖1所示。

幾何模型簡化后，再進行面網格劃分，面網格選用三角形非結構形式。對于進氣格柵有孔的零部件，網格大小為2 mm 左右，其它零部件的網格為5 mm 左右。在保證計算結果準確的情況下，使網格數量盡量少，當面網格計算好后，導入到TGrid 軟件進行體網格劃分，體網格生成采用四面體畫法，最后通過生成的體網格導入Fluent 軟件進行計算[1]。

1.2 基本理論

空調進口前端水管理采用瞬態模擬，計算采用VOF 多相流模型，計算中每個迭代步長為0.001 s，每個步長迭代20 次，計算20 s，總共需要迭代40 萬步，為了更好的加快計算,采用8 核并行計算，前端進風阻力計算選用湍流模型（k-ε）的穩態計算，差分格式采用2 階迎風格式，應用SIMPLEC 算法進行迭代計算，殘差曲線判定設為1.0×10-6[2]。

1.3 邊界條件的設置

進口：水管理分析中進口采用流量為2.52 L/s 的水延玻璃表面流下，進口設為第二相（水），前端進氣阻力分析進口為壓力進口[3]。

出口：水管理出口設為壓力出口邊界條件，大小為一個標準大氣壓（101 325 Pa），出口第二相設為空氣，前端進氣阻力模擬分析，以空調進風口125 L/s 的空氣吸入空調內進行模擬[4]。

2 模擬結果

2.1 改進前進風阻力與水管理的模擬結果

當進風口流量為125 L/s 時，空調的進風口流線圖和壓力云圖，如圖2所示。

通過圖2b 可以得出，從進氣格柵到空調進口的壓降為170 Pa，此壓降符合設計要求。

前端水管理模擬結果，如圖3所示。圖3 中，藍色代表零件處于沒有浸水的狀態；紅色代表零件處于完全浸水的狀態；藍色和紅色之間代表有部分水會浸入到零件上。

通過圖3 可以看出，空調進風口沒有進水，電機表面有水，其原因是水漫過擋板流到電機表面上，電機表面長時間有水會導致電機失效，因此此水管理設計有待改進，改進方案1 為：將擋板的高度增加10 mm。

2.2 擋板高度增加10 mm后進氣阻力與水管理的模擬結果

當擋板高度增加10 mm 后，空調進氣阻力模擬的速度流線圖及壓力云圖，如圖4所示。

通過圖4 可以得出，此狀態下外界到空調進風口的壓降為212 Pa，進口壓降相對于原來的（170 Pa）略有增加，此壓力滿足設計要求（設計要求前端空調進氣的壓降要小于235 Pa）。

前端水管理的模擬結果，如圖5所示。圖5 中，藍色代表零件處于沒有浸水的狀態；紅色代表零件處于完全浸水的狀態；藍色和紅色之間代表有部分水會浸入到零件上。

通過圖5 可以看出，空調進風口沒有進水，電機表面沒有進水（此狀態下水恰好沒有漫過擋板，但沒有設計余量），此結構設計的水管理符合設計要求。為了使電機更加有保證性，有一定的余量，改進方案2 為：將擋板的高度增加18 mm。

2.3 擋板高度增加18 mm后進氣阻力與水管理的模擬結果

當擋板增加18 mm 后，空調進氣阻力模擬的速度流線圖及壓力云圖，如圖6所示。

通過圖6 可以得出，此狀態下，從外界到空調進風口的壓降為253 Pa，進口壓降隨著擋板高度的增加繼續增大，此壓力不滿足設計要求（設計要求前端空調進氣的壓降要小于235 Pa）。

前端水管理的模擬結果，如圖7所示。圖7 中，藍色代表零件處于沒有浸水的狀態；紅色代表零件處于完全浸水的狀態；藍色和紅色之間代表有部分水會浸入到零件上。

通過圖7 可以看出，空調進風口沒有進水，電機表面沒有進水（此狀態下水未漫過擋板并且有一定的設計余量），此結構設計的水管理符合設計要求，水管理狀態表現比較好。

2.4 結果分析

通過分析結果可以看出，未更改結構下空調進風口的阻力為170 Pa，水管理不滿足要求，狀態評價為差；當擋板高度增加10 mm 后，空調進風口的阻力為212 Pa，水管理滿足要求，但沒有設計余量，水管理的狀態評價為中；當擋板高度增加到18 mm 后，空調進風阻力為253 Pa（設計值應小于235 Pa，空調進風阻力已超過了設計值得要求），進氣阻力不符合設計要求，水管理由于存在設計余量，符合設計要求，水管理狀態評價為好。

對于上文分析的3 種情況，在工程方面一般會選擇方案1，即擋板增加10 mm，這樣才能保證滿足水管理的同時，盡量使進氣阻力較小。

3 結論

通過更改擋板的結構可以看出，隨著擋板高度的增高，水管理狀態越來越好，但空調進風口的阻力越來越大，進氣阻力狀態卻越來越差，由此可以得出，水管理與空調進風口的阻力存在相互制約的關系，因此在設計方面，要考慮兩者的均衡性，如果在設計中只考慮一方面，必會造成另一方面相對較差，所以設計上要反復驗證，找到最佳的狀態點，在此分析結果中方案2 相對比較好，在滿足水管理的同時也盡量使進氣阻力較小。