空調(diào)最大制冷量的耦合模擬分析

孟祥軍 錢(qián)銳 張?chǎng)?孫建逵

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司）

隨著近幾年汽車(chē)行業(yè)的飛速發(fā)展，CFD技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用到汽車(chē)開(kāi)發(fā)中。最大制冷的模擬分析已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到開(kāi)發(fā)當(dāng)中，可以節(jié)省大量的前期開(kāi)發(fā)時(shí)間[1]，但由于最大制冷過(guò)程中包括初始Soak狀態(tài)，此過(guò)程模擬涉及到熱輻射、傳熱、對(duì)流及光照等因素，相對(duì)邊界條件比較復(fù)雜。目前通過(guò)單一軟件進(jìn)行分析，導(dǎo)致結(jié)果會(huì)存在很大的偏差，對(duì)前期設(shè)計(jì)沒(méi)有更好的指導(dǎo)意義，所以文章通過(guò)Fluent與Radtherm進(jìn)行耦合計(jì)算，通過(guò)對(duì)某款車(chē)型在溫度環(huán)境為（38±1）℃，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2的環(huán)境下進(jìn)行Soak，當(dāng)呼吸點(diǎn)的溫度達(dá)到60℃時(shí)，空調(diào)進(jìn)行最大制冷的開(kāi)啟進(jìn)行模擬[2]，同時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)人體模型呼吸點(diǎn)的溫度變化，通過(guò)實(shí)際車(chē)型測(cè)試與模擬結(jié)果的對(duì)比可以看出，模擬和測(cè)試呼吸點(diǎn)的溫度變化基本一致，偏差不是很大，使此耦合計(jì)算在前期開(kāi)發(fā)有一定的指導(dǎo)意義，模擬的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

1 模擬結(jié)果

1.1 計(jì)算網(wǎng)格的生成

首先在ANSA里面處理完幾何模型后，再進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，面網(wǎng)格選用三角形非結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于關(guān)鍵零部件網(wǎng)格大小為5～10 mm，假人模型網(wǎng)格大小為10 mm左右，車(chē)身網(wǎng)格大小為50 mm左右。圖1和圖2分別示出整車(chē)及整車(chē)內(nèi)部劃分后的網(wǎng)格示意圖。在保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確下，使網(wǎng)格數(shù)量盡量少，當(dāng)面網(wǎng)格計(jì)算好后導(dǎo)入到TGrid進(jìn)行體網(wǎng)格劃分[3]，體網(wǎng)格生成采用六面體核心的畫(huà)法，與面網(wǎng)格接觸處通過(guò)五面體進(jìn)行過(guò)渡，中間為六面體填充，最后通過(guò)生成的體網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent進(jìn)行計(jì)算。

1.2 Soak狀態(tài)下的模擬

Fluent Soak狀態(tài)下的模擬，模擬條件是處于環(huán)境溫度為（38±1）℃，光照為1 000 W/m2，整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)處于關(guān)閉，車(chē)速為0的狀態(tài)下進(jìn)行模擬，直到呼吸點(diǎn)的溫度達(dá)到穩(wěn)定60℃停止Soak，太陽(yáng)輻射穿透玻璃的熱流量，如圖3所示，第1次計(jì)算得到假人呼吸點(diǎn)溫度，如圖4所示。

通過(guò)模擬結(jié)果可以得出，當(dāng)為Soak狀態(tài)下，F(xiàn)luent得出呼吸點(diǎn)穩(wěn)態(tài)溫度為41.4℃，通過(guò)此模擬看出壁面溫度與實(shí)際對(duì)比偏低，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出Fluent下內(nèi)部壁面的換熱系數(shù)和溫度，此壁面的換熱系數(shù)和溫度導(dǎo)入Radtherm進(jìn)行計(jì)算（模擬條件與Fluent Soak模擬的環(huán)境完全一致），模擬結(jié)果，如圖5所示。

通過(guò)Radtherm得出的壁面溫度再導(dǎo)入到Fluent內(nèi)，在FluentSoak狀態(tài)下繼續(xù)計(jì)算，重復(fù)此操作2～3次，最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，最終通過(guò)Fluent計(jì)算得出呼吸點(diǎn)的穩(wěn)定的Soak溫度60℃，此狀態(tài)作為最大制冷模擬的初始環(huán)境條件，此模擬結(jié)果也與風(fēng)洞所測(cè)的呼吸點(diǎn)溫度基本保持一致。

1.3 最大制冷量的模擬

最大制冷能力的模擬是基于初始Soak狀態(tài)下進(jìn)行的，在Fluent得出Soak呼吸點(diǎn)溫度為60℃基礎(chǔ)上再進(jìn)行氣流計(jì)算，并通過(guò)空調(diào)箱單體實(shí)際所測(cè)的溫升曲線輸入到空調(diào)風(fēng)道的進(jìn)口當(dāng)中，最大制冷艙內(nèi)氣流模擬，如圖6所示。

當(dāng)Fluent氣流計(jì)算穩(wěn)定后（迭代大概2 000步），再打開(kāi)能量模塊進(jìn)行溫度計(jì)算。空調(diào)箱進(jìn)口的溫降曲線，如圖7所示，空調(diào)箱進(jìn)風(fēng)口位置，如圖8所示。

通過(guò)給定的降溫曲線進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)的計(jì)算，并設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為2S進(jìn)行迭代，當(dāng)?shù)?0 min后導(dǎo)出換熱系數(shù)和溫度，此對(duì)流換熱系數(shù)和溫度再導(dǎo)入到Radtherm Soak初始環(huán)境中，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，最后得出最大制冷各壁面10 min的溫度，此壁面溫度再導(dǎo)入到Fluent當(dāng)中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，最后得出假人模型呼吸點(diǎn)的溫度。模擬過(guò)程，如圖9～11所示。

按此方法進(jìn)行計(jì)算 15，20，25，30，40 min 時(shí)呼吸點(diǎn)的溫度。最終計(jì)算結(jié)果，如圖12所示。

2 分析及結(jié)論

1）Fluent Soak與Radtherm Soak進(jìn)行耦合計(jì)算，通過(guò)Fluent計(jì)算得到換熱系數(shù)和溫度后導(dǎo)入到Radtherm中進(jìn)行壁面溫度計(jì)算，得到的壁面溫度反過(guò)來(lái)校核Fluent，耦合3次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；

2）最大制冷模擬首先需要得到一個(gè)穩(wěn)定的流場(chǎng)后再進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，呼吸點(diǎn)溫度通過(guò)3～5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)后取平均值，這樣可以更好的與實(shí)際匹配；

3）通過(guò)最終模擬結(jié)果可以看出，如果能夠給出準(zhǔn)確的空調(diào)入口溫降曲線，乘客呼吸點(diǎn)的分析值與實(shí)測(cè)值的溫度基本一致，使在最大制冷模擬的溫度場(chǎng)更加準(zhǔn)確。