某重型載貨車空調系統CFD分析與優化

呂東　陳濤　郝勇　王永康

本文針對某重型載貨車空調風道系統進行流態仿真數值分析。計算結果顯示，原始方案的出風口氣流流量分配不合理，主駕駛員側的熱舒適性較差。基于此對空調風道進行改進，在風道出口附近增加內部導流板并進行優化，有效地改善了出風口的氣流分布，使風量分配更加均勻，明顯提高了駕駛室的舒適性。

隨著經濟的發展，汽車市場的競爭愈發激烈，人們對汽車性能以及舒適性的要求也逐步提高，因此空調系統的設計變得至關重要。車廂內部空間有限且封閉，空調風道系統于氣流布局的合理性將直接影響駕乘人員的身心健康，合適的溫、濕度和新鮮的空氣會緩解駕駛員的疲勞，提高行車安全性。

近年來，隨著計算機的迅猛發展，計算流體力學（CFD）在汽車空氣動力學方向開創了新的研究方法，能夠真實有效地模擬氣流流動并快速獲取流動特性參數，分析氣流布局的合理性，進而對空調風道系統進行優化改進設計。20世紀90年代，Yamamot對卡車駕駛艙進行了簡單的流場數值模擬，同時編寫了用于評價熱舒適性的程序。通過對比試驗數據，發現吻合性良好。2007年，安徽江淮汽車公司的霍長宏等人基于CFD方法對某輕卡駕駛室除霜風道出口流量分配、速度場和壓力場進行了分析，并對風道進行了改進。2011年，蘆克龍，谷正氣等人對某重型貨車空調系統及駕駛室氣流分布進行了仿真計算，并與試驗值對比，針對風量分配不均的問題對風道進行了改進。在對載貨車空調的研究中，大部分學者側重于通過調整結構數據的方法進行改進，并未系統地采取更為詳細的優化設計。基于此，作者將待改進結構定義設計變量，并取40組樣本進行參數優化，得到更加合理的優化結果。

本文采用STAR-CCM+軟件，對某重型載貨車的空調吹面風道進行流態數值模擬，得到出風口的流量分布，并與實車測試值進行對比，進而分析流量分布的合理性，實施優化方案設計，提高了駕駛室的舒適性。

一、空調風道系統CFD模型

汽車空調風道系統主要由風道和出口格柵等構成，按其作用可以分為吹面風道、吹腳風道和吹窗風道。一般情況下，各風道之間相互獨立，根據風道功能及其組合便可組成不同的工作模式。通過用戶反饋和前期分析得知某重型載貨車主副駕駛室熱舒適性差別較大，同時考慮到吹面風道質量流量較大，對駕駛室熱舒適性起主導作用，故只針對吹面風道進行建模分析和優化。

1.物理模型

本文采用實車1：1比例模型，空調吹面風道由1個入口和6個出風口組成，其中駕駛側為出風口1，副駕駛側為出風口6，三維幾何模型如圖l所示。由于駕駛室的熱舒適性取決于各出風口風量，所以通過計算各出風口的流量，并根據設計目標修改風道的形狀，以對流量分布進行優化設計。

2.力學模型及控制方程

由于管道入口平均流速為7.96，Ma-v/c=0.023，馬赫數較小，認為流體密度為常數；弗勞德數較小，忽略重力的影響。從入口到出口，整個過程中熱量損失較少，不考慮溫度的影響。由于只關注風機/壓縮機在最大功率下穩定狀態的風量分配，所以流動近似穩態流動。基于以上條件，從圖1中可看出風道結構形式是不規則的，氣流在風道系統中以復雜的湍流形式運動，對湍流的處理采用不可壓縮流體的標準k-ε雙方程模型。標準k-ε模型為半經驗公式，其中湍流動能ε方程是精確方程，而湍流耗散率ε方程是由經驗公式導出的方程。

根據試驗數據將入口設置為質量入口，出口設置為壓力出口，相關邊界條件及相應參數輸入如表l所示。

3.求解、網格、算法設置

CFD網格模型如圖2所示，選用simple算法求解，采用一階迎風離散格式。

二、空調風道仿真分析及優化設計

本節對空調風道出風口的流量分布計算結果與實車測試值進行對比分析，同時根據設計目標進行優化設計。

1.出風口流量試驗與仿真對比

考慮到優化所需循環迭代次數較多，為了提高計算效率，減少網格數量，對于吹面風道CFD模型進行了兩種處理，第一種是有出口格柵的風道模型；第二種是去掉出口格柵的風道模型。使用德圖多功能風速計對實車空調出風口進行風量測試，該風速計測試精度可達2%，并滿足EC標準（90/336/EEC）的要求。將測試數據與CFD仿真數據進行風量分配對比，以測試數據為基準值，有出口格柵的風道CFD仿真數據與其對比誤差在5%以內，去掉出口格柵的風道模型誤差最大可達24%，可見有格柵模型出風效果更符合實際。所以有出口格柵的風道CFD模型更準確，可以用于優化設計。

2.結果分析

通過計算可以得到風道流態仿真結果，從而得到各出風口以及駕駛室各區域的流量分布分配。圖3、圖4分別給出了原結構風道內表面靜壓云圖和內部速度流線圖。從圖5可看出風道內表面靜壓分布較均勻，分風拐角處高低壓差較大，3、4出風口靜壓差較大。從圖4可看出1、2，6出風口流量分配較合理，5口流量略小，3口較4口流量明顯偏小。各出風口流量分布不均勻，部分達到設計目標，主要是3、4出風口風量比例相差較大，4口較3口大60%，主駕駛側流量較副駕駛側偏小27%。對于重型載貨車，主駕駛員為熱舒適性的主要評價者，因此在保證駕駛室整體熱舒適性較均勻的前提下，應盡量使駕駛員側風量大于副駕駛側。

通過對原風道結構以及靜壓圖和速度流線圖的分析可知，造成流量分配不均勻的因素主要有兩個：4出風口在風道主線上，而3出風口偏離主線，6出風口導流結構不合理。為了使流場分布更合理，從而改善駕駛室的熱舒適性，需要對原空調風道結構進行優化改進。

3.優化分析

根據之前的分析，氣流分布不均主要由3、4出風口分配不合理造成，為了改進送風效果，以主、副駕駛側風量相等為優化目標，對空調風道出風口處導流結構進行優化，如圖5所示，給出以下兩個優化方案。

方案一：針對3、4出風口管道兩側壁面進行橫向尺寸變化的DOE分析。

方案二：在3、4出風口處根據管道中線增加導流板并對導流板進行進一步優化。

取方案中計算結果顯示效果最佳的一組數據，經過分析，改善的效果不佳，主駕駛側流量只提高了3個百分點，可見只改變3、4出口管道兩側壁面橫向尺寸不足以改善風量分配比，這是因為3、4出風口的氣流得不到有效的控制，故方案一不可行。而方案二中只在3、4出口處增加一塊導流板后，3口流量增大，主駕駛側流量比副駕駛側大18%，明顯地改善了風量分配，因此可以在方案二的基礎上對導流板進行進一步優化。

將待優化處結構設置為浮動結構，布置控制點，進行設計變量的定義并完成參數優化，取40組計算結果，選擇最優數據進行分析。圖6對優化前后各出風口流量的分配比數據進行了對比，對優化效果進行直觀的表現。圖7、圖8分別為優化后結構風道內表面靜壓云圖和內部速度流線圖，從圖7可看出風道內表面靜壓分布較均勻，3、4出風口靜壓差降低。從圖10可看出1、2和5、6出風口流量分配均較合理，3、4出風口流量明顯得到改善，基本相等。可見3、4出風口處導流板裝置可以約束氣流流向，通過優化其位置達到控制氣流分配的目的，經過數據分析該方案能滿足分配要求，使各出風口風量均勻且主駕駛側風量偏大，且精度達到16.67%±3%，主駕駛側的流量總量提高10%，主駕駛側流量比副駕駛側大8%。

三、結論

本文主要針對空調系統原結構的熱舒適性缺陷進行了優化方案的確定及設計。最終方案很好地解決了空調出風口氣流分配不均勻的問題，改善了駕駛室內部的氣流布局，為重型載貨車駕駛員提供了一個更好的駕乘環境，也為汽車空調風道系統的設計提供了有效的設計方法和技術手段。