基于FloEFD軟件的空調箱溫度線性設計

陸平，李波，周滋鋒，錢銳

（1-泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201；2-明導（上海）電子科技有限公司，上海 200120）

基于FloEFD軟件的空調箱溫度線性設計

陸平*1，李波2，周滋鋒1，錢銳1

（1-泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201；2-明導（上海）電子科技有限公司，上海 200120）

本文基于FloEFD CFD軟件，對空調箱線性設計過程中出風溫度均勻性能進行參數化仿真研究。通過改變空調箱內部冷熱流道相關參數尺寸后，進行CFD研究確認冷熱流道對沖角度及流道面積比最優組合，確保空調箱最優的冷熱氣流混風效果及出風溫度均勻性表現，這對空調箱線性性能設計優化具有重要意義。

計算流體動力學（CFD）；空調箱；線性度

0 引言

隨著人民生活的提高，有車一族的數量也越來越多，對汽車乘駕舒適性的要求也有了更高的標準[1]。其中，汽車空調出風溫度線性均勻度表現是影響整車舒適性的關鍵性能之一。均勻的空調箱出風溫度一方面能確保車輛使用者最終所感受到均勻的出風溫度，另一方面又能降低自動空調溫控算法標定工作上的繁復程度。同時，均勻性好的冷卻氣流對車室的冷卻性能更好[2]。但是，由于車身空間限制，汽車空調多結構緊湊，如果結構設計不合理容易產生冷、熱氣流混合不充分現象，直接導致出風口溫度不均勻[3]。因此，對于一款空調箱的開發工作而言，提升出風溫度均勻性尤為重要。

目前，空調箱設計開發過程中對于線性性能的設計更多基于工程經驗及反復的工程樣件與開發驗證，這在占據大量的開發周期的同時無疑又增加了工程開發成本。本文通過應用FloEFD CFD軟件工具并利用其自帶參數化計算功能，使得原本繁復的開發、驗證過程的效率極大提升。

1 模型

1.1 物理模型

本文中研究的空調箱主要由空調箱殼體、蒸發器芯體、加熱器芯體和風門組件構成。工作過程中，氣流通過進氣殼體進入空調箱內部，隨后流經蒸發器芯體實現冷卻降溫。冷卻后氣流在溫度風門調節作用下部分流經加熱器芯體實現升溫，另一部分則旁通至加熱器后部。兩股冷熱氣流在加熱器后部混風區匯聚形成一定溫度后最終由空調箱出風口排出。圖1為該過程截面示意圖。

從圖1可看出，空調箱出風溫度的調節實際是對冷熱氣流混合比例的調節。其中溫度混合風門控制尤為重要，其控制著冷熱風的分配比[4]。而最終混風的充分程度會影響出風溫度均勻性的好壞。

圖1 空調箱結構斷面示意圖

1.2 計算區域

本文所研究空調箱從結構上主要可分為進氣段、擴散段及混風段。其中混風段對空調箱冷熱氣流混風效果及出風溫度均勻性起著主導作用。在空調箱內部流動和換熱過程中，熱量傳遞主要發生在蒸發器、加熱器以及風門組件之后的混風段。其中蒸發器使得入口流體溫度下降，而加熱器又使得流體溫度得到提升。因此，選取空調箱混風段作為模型計算區域，并將擴散段及分配箱吹面出風面分別作為計算區域入口及出口，如圖2所示。

圖2 空調箱計算區域模型示意圖

1.3 CFD模型

本研究使用商用CFD軟件FloEFD來對汽車空調箱混風區線性性能的受影響因素進行研究。FloEFD使用獨特的六面體網格結合浸沒邊界法，與其他工具使用的四面體和棱鏡元素相比，能獲得更精確和更高效率的仿真結果[5]。它是新一代流體動力學分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三維機械CAD 環境中高度工程化的通用流體傳熱分析軟件[6]。

FloEFD求解流體流動和傳熱的過程可以歸結為：把原來在時間域及空間域上連續的物理量場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來替代，通過一定的原則和方式建立其關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值[7-9]。

其中主要求解的是流體流動的基本方程，即質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。由于本文模擬分析流場處于充分發展的湍流狀態，因此采用標準的k-ε方程模型。標準k-ε方程模型的湍動能k和耗散率ε方程如下[10]：

式中：

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；

Gb——由于浮力引起的湍動能k的產生項；

YM——可壓湍流中脈動擴張的貢獻；

C1ε，C2ε，C3ε——經驗常數；

σk——與湍動能k對應的普朗特數；

σε——與耗散率ε對應的普朗特數；

Sk，Sε——用戶定義的源項。

1.4 邊界條件

為不失一般性，計算所用到的空調箱邊界條件為空氣流動系統運行工況，見表1。空調箱擴散段以流量入口作為入口邊界，分配箱吹面出風口則設為壓力出口邊界，同時空調箱殼體壁面采用無滑移條件。

另外，對空調箱內部蒸發器及加熱器，則通過定義多孔介質參數對其進行設置，從而實現氣流流經過程時的壓降及換熱計算。由于空調箱入口的50 l/s流體流量均通過蒸發器，故可以直接將蒸發器在50 l/s條件下的流動和換熱特性輸入至軟件的多孔介質模型中，即壓力損失24.5 Pa和換熱量875 W。表2為加熱器在不同流體流經時的流動和換熱特性參數。

表1 空調箱計算模型邊界條件

表2 加熱器參數設置

2 計算與分析

如空調箱結構斷面示意圖圖1所示，溫度風門起到分流過蒸發器后氣流的作用。被分流氣流一部分經蒸發器后部流道流出，另一部分則經加熱器換熱之后通過熱氣流道流出，兩股氣流以一定的對沖角度及面積進行混合，最終由空調箱出風口排出。因此，冷熱氣流流道對沖角度及面積比無疑會對最終混風效果起到重要影響。

本文研究中，結合所開發空調箱結構特點，采用最優化方法對冷熱流道對沖角度、面積比分別選取3個水平，如表3所示。兩者組合可形成9個計算模型，如表4所示。每個模型在計算過程中，利用FloEFD軟件具備的參數化計算功能，使溫度風門由全熱至全冷方向參數化旋轉。結合本文所研究空調箱溫度風門全熱至全冷總行程為75°，計算過程中設置風門單步旋轉角度為25°。

表3 空調箱優化參數水平

表4 空調箱組合參數計算模型

考慮本文所研究空調箱線性設計過程中出風溫度均勻性能，因此在計算結果分析中關注溫度風門中間位置情況下的出風口溫度分布情況，即溫度風門25°和50°位置情況下的出風溫度表現，以保證與客戶實際使用相匹配。

9個計算模型CFD最終結果如圖3所示。可以看到，模型3在兩個風門計算位置上出風面溫差最優，說明該模型所對應的冷熱流道對沖角度及流道面積比參數對所研究空調箱而言最為理想。而這一點從各模型在兩個計算風門位置上的最終出風面溫度云圖中也得到印證，見圖4。

圖3 空調箱出風溫度均勻度結果

圖4 空調箱出風口溫度云圖

與圖3相類似的，圖4中(a)是溫度風門25°位置情況下各模型出風口溫度云圖分布情況，而(b)則是溫度風門50°位置情況下各模型出風口溫度分布。從中不難看出，模型3較其它模型存在更為均勻的溫度分布，這一點在空調箱出風口左右兩側區域更為突出。

3 試驗驗證

結合CFD虛擬計算結果，對所研究空調箱分配箱內部冷熱流道面積比及流道對沖角度進行設計定型、制作樣件并安排測試。試驗過程中，空調箱進氣氣流溫度維持在0 ℃，加熱器內部通以90 ℃冷卻液，從而模擬實車使用中空調箱內部冷、熱源的產生。通過調節溫度風門開度，便可實現空調箱出風溫度的冷熱調節。為了驗證空調箱出風溫度線性均勻性，在各出風口面上各布置4個熱電偶，其所測得平均溫度代表各風口出風平均溫度。如此，整個風門調節過程中，通過監測各風口間平均出風溫度差便可判斷出風溫度線性度水平。圖5為空調箱樣件在吹面吹腳出風模式下各吹面風口溫度線性實測性能數據。可以看到，在35%到65%這段典型吹面吹腳出風模式溫控區間內，四個吹面風口之間最大溫差控制在4 ℃以內，達到了溫度線性設計要求，同時與虛擬設計階段CFD結果基本保持一致。

圖5 空調箱吹面出風口溫度線性數據

4 結論

本文基于FloEFD CFD軟件對空調箱線性設計過程中出風溫度均勻性能進行了參數化仿真研究。通過改變空調箱冷熱流道對沖角度及面積比組合參數進行CFD研究確認相關參數最優組合，最終明確所研究空調箱最優的冷熱流道對沖角度及面積比分別為120°和39%。

同時，可以看到FloEFD軟件所具備的參數化計算功能在本研究中也充分體現了其高效的優勢。也正是基于FloEFD這方面的優勢，本研究中空調箱線性性能開發工作效率及周期獲得了極大提升，達到設計目的的同時降低了開發成本。

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HVAC Module Temperature Linearity Design based on FloEFD Software

LU Ping*1, LI Bo2, ZHOU Zi-feng1, QIAN Rui1
(1-Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201, China; 2-Mentor Graphics (Shanghai) Electronic Technology Co., Ltd Shanghai 20120, China)

Based on the FloEFD computational fluid dynamics (CFD) simulation software, a parameterized simulation study of outlet temperature homogeneity performance during HVAC module temperature linearity design process is performed. Through adjusting the HVAC module internal air passage parameters and CFD analysis, on optimal air flow cross angle and section area ratio between hot and cold air passage is confirmed, which ensures HVAC module optimal air mixture effect and outlet temperature uniformity. This study has great significance to the design of HVAC module temperature linearity design.

Computer fluid dynamics (CFD); HVAC Module; Linearity

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.208

*陸平（1981-），男，碩士。研究方向：汽車空調系統。聯系地址：上海龍東大道3999號，郵編：201201。聯系電話：021-50165437，E-mail：ping_lu@patac.com.cn