仿真分析技術在空調系統上的應用

崔建維，楊菲菲，王海萍

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

專題 仿真與測試

仿真分析技術在空調系統上的應用

崔建維，楊菲菲，王海萍

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹了仿真分析在某輕客車型上的應用，從單體模型、一維分析和三維分析等方面，詳細闡述了空調降溫性能仿真的研究過程，通過仿真分析結果和試驗車結果對比表明該技術完全具有可行性，并且對應用于其他車型上均有著重要的意義。

仿真；一維；降溫

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-60-04

前言

隨著汽車行業的高速發展，汽車空調所面臨的問題層出不窮，這就要求我們要提出解決問題和提供方案的新要求。同時，汽車行業競爭激烈，面臨嚴峻的考驗例如嚴格的規范、時間成本和經濟成本等。一般汽車空調系統的性能主要是靠大量系統臺架試驗及整車環模試驗進行評價，但由于汽車空調系統的復雜性，當出現汽車除霜、采暖、降溫等性能達不到要求時，傳統方法只能通過相關測試數據及積累的經驗對系統及零部件進行改進，然后通過多輪的制作物理樣機和重復大量的試驗進行方案驗證最終才能使空調系統滿足其性能要求。

1、仿真分析技術應用的意義

空調系統開發及方案驗證方法主要依賴于相關測試數據及積累的經驗，方案缺少相應的理論依據，導致開發周期長；大量的臺架試驗環模試驗費用也非常高，增加開發成本，大大降低了車型的競爭力。針對某輕客車型空調系統制冷性能進行仿真分析，先對制冷系統單體進行模擬計算，在采用某一維仿真軟件建立完整的空調系統一維仿真模型，根據輸入條件對模型進行計算并提供空調系統匹配分析及各個部件優化方案，最后進行整車性能模擬并與試驗數據對比確認，以此指導江淮后續車型空調系統的開發。

1.1 制冷單體模型的建立

1.1.1 蒸發器模型建立

在一維模型中制冷劑側頁面建立蒸發器模型，對輸入需要的相關參數如蒸發器尺寸、扁管、翅片、試驗條件等（見圖1到圖7）。

圖1 蒸發器模型流程參數

圖2 模型扁管參數

圖3 蒸發器模型翅片參數

圖4 蒸發器模型試驗條件參數

圖6 蒸發器模型制冷劑側和空氣側性能參數

以相同方式建立某輕客車型前后兩個蒸發器模型。

1.1.1.1 模型理論分析

通過理論對模型進行分析說明，建立蒸發器模型的需求是根據系統時刻變化算出對應的換熱量。

模型中采用的為平行流式換熱器，它計算公式為：

Q為平行流式換熱器換熱量；

WK為WI與WO熱容流中的最小值；

TI(in)為內部介質側進口溫度；

TO(out)為外部空氣側進口溫度；

φ為操作特性參數；

操作特性參數φ為兩種介質在不同的進口溫度中的熱交換影響因素，因為空氣的比熱容大于冷媒R134a，所以計算公式為：

最終通過計算（2）、（3）、（4）、（5）得出：

N為熱交換器的扁管排數；

WI為內部介質側熱容；

WO為外部空氣側熱容；

KA為熱交換系數；

A0為換熱器的迎風面積；

通過上述公式查閱相關物質物理特性即可算出換熱器芯體的換熱量。

1.1.2 冷凝器模型建立

冷凝器與蒸發器都是為平行流式換熱器所以建模類型相同，同樣輸入基本尺寸參數、扁管、翅片、試驗條件等，通過對冷凝器單體模型的建立可以得到冷凝器換熱量、空氣側阻力、制冷劑側阻力、出風溫度等等重要參數，對汽車空調系統匹配和優化提供依據。

1.1.3 壓縮機模型建立

定義不同壓力下的壓縮機容積效率及等熵效率（見圖7）。

圖7 壓縮機參數

壓縮機模型主要關注壓縮機傳動比及其自身的容積效率和等熵效率，容積效率ηv和等熵效率h計算公式為：

通過此計算得出壓縮機進出口焓值，與制冷劑流量質量乘積即可得出壓縮機制冷量。

1.1.4 儲液干燥器和膨脹閥模型建立

定義儲液干燥瓶的容積和類型，確定本身散熱量對系統的影響（見圖8）。最后建立膨脹閥模型，確定它進出口橫截面積和過熱度等（見圖9）。

圖8 儲液干燥器模型參數

圖9 膨脹閥模型參數

通過膨脹閥參數輸入主要制冷劑在此處壓力損失，蒸發器進口為氣體液體混合物，物質為兩相區存在較大熱交換反應和壓力損失。

1.2 制冷系統一維模型建立

圖10 制冷劑側系統模型

圖11 空氣側模型

通過上述單體模型的建立后再增加輔助部件如回路狀態、電子閥等，然后調整到合適的位置和方向，將其部件按照系統進行連接循環，完成制冷劑側和空氣側的模型建立，空氣側模型芯體前必須增加溫度、相對濕度和風量模型（見圖10、圖11）。

1.3 駕駛室參數輸入（如表1）

表1 駕駛室參數

1.4 試驗環境參數設置

由于降溫系統中，溫度、相對濕度、風量對系統影響較大，建立整車環境參數模型，T為溫度，X為濕度，M為風量，同時建立順序及空氣側模型中三者只能按照溫度、濕度、風量順序進行排列，防止對系統其他參數進行影響。

1.5 整車內模型提取（蒙皮數據）；儀表臺進、出風口模型；駕駛員、乘員座椅、假人模型。

1.6 運行模型

根據制冷試驗的試驗工況，輸入各元件的參數，建立采暖分析一維模型，最后對其進行模型檢查，系統檢查無問題后進行運行計算（go按鈕），系統根據試驗時間根據參數計算每段時間的壓焓值圖（圖12）變化值確定仿真結果。

圖12 運算壓焓圖值

2、模擬仿真結論對比

圖13 仿真與實驗結果對比圖

仿真工況：參照某企業標準Q/JQ 8101.11 整車空調系統性能技術要求，室外溫度：43 ℃，濕度 40%， 日照量：1000W/m2h ；模式：回風，鼓風機最大風量，車速：40km/h ，時間 40min；最后仿真結果與環模試驗結果進行對比（見圖13）。

通過對某輕客車型空調降溫模型建立與運行計算，仿真分析得到40分鐘后車內平均溫度在21℃，環模實驗測得車內平均溫度在22.1℃左右，仿真值與實驗值相差1.1℃，誤差在5%之內。

同時，運行結束后根據計算結果查看自己需要的參數，如壓縮機進出口排氣壓力、蒸發器芯體進出口溫度等等，只需將需要的項拖到右側顯示欄即可，顯示欄有各種圖表可以得出想要的圖表類型。

3、結論

本文簡要介紹了某輕客車型的空調制冷性能仿真分析方案，并從單體模型建立、系統模型建立方面進行了說明；通過仿真分析數據與試驗數據對比結果表明可行性，該技術對于汽車的空調設計開發和驗證有著重要意義，大大提升產品的開發進度和競爭力。

[1] 王若平.汽車空調[M].版本.北京：機械工業出版社,2007.6.

Application Of The Simulation And Analysis An AC System

Cui Jianwei, Cao Huangqin, Wang Haiping
（Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Hefei 230601）

The thesis introduces the application of the simulation and analysis in light-bus type.It elabotates the study process of cooling simulation by monomer model and one- dimensional analysis and three-dimensional analysis etc.The results prove that the technology is compeletly practicable.And the program also has important significance on the apply of other models.

simulation; One-dimensional; cooling

U467.3

A

1671-7988 (2017)05-60-04

崔建維，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.020