乘用車空調進氣格柵功能設計研究

張秀娟

摘 要：乘用車空調進氣格柵是前擋風玻璃、發動機艙蓋、翼子板之間的外觀覆蓋件，同時為空調系統呼吸新鮮空氣提供入口，保護雨刮系統以及空調系統免受雨水侵蝕，引導氣流、水流，屬于外觀功能件。該文重點介紹空調進氣格柵的水、氣等功能設計開發、應用計算機流體軟件展開的相關研究以及成果。

關鍵詞：空調進氣格柵 水管理 氣管理

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0112-02

乘用車空調進氣格柵是前擋風玻璃、發動機艙蓋、翼子板之間的外飾覆蓋件，縱向連接前風擋玻璃以及發動機艙蓋，橫向連接左右翼子板，一般為黑色塑料件，實物外觀以及整車位置如圖1所示。

空調進氣格柵與車身鈑金共同圍成一個空腔，在這個空腔里布置有前雨刮系統以及空調系統的進氣口，空調進氣格柵是空調系統新鮮空氣的入口，同時保護雨刮系統以及空調系統免受雨水侵蝕，空腔是水流及氣流的通道，該文重點介紹空調進氣格柵的水、氣等功能設計的開發。

1 氣管理

空氣通過發動機艙蓋與空調進氣格柵之間間隙進入，通過空調進氣格柵開口到達車身空調進氣腔，在腔內流動并通過位于腔內的空調進氣口最終進入空調箱，實現冷熱調節后按客戶設置經由吹面風道、除霜風道送達至目標區域，如圖2進氣流路斷面示意圖。

氣體在管道內流動實質是通過犧牲自身能量以克服流動阻力的過程，空調鼓風功能本質上是鼓風機模塊所產生的壓力克服氣流流路上流動阻力的結果，進氣氣路上壓降的大小直接影響鼓風模塊功耗，該文主要涉及空調箱進氣口上游進氣通道，確保其在一定空氣流量情況下流阻處于合理水平。總阻力損失主要由摩擦阻力和局部阻力構成。摩擦阻力損失是指氣體沿管道流動時由于質點間的內摩擦力及與管壁之間的外摩擦而引起的能量損失，壓力降參考范寧公式：

局部阻力損失：當氣體流過的管道發生局部變化時，就在管道的局部變化地區發生氣體與管壁的沖擊，因而造成一部分能量損失。

工程上常見的流體流速范圍內，摩擦系數λ近似等于常數。當管路及輸送的流體一定時，l、d、Σζ、ρ均為定值，故R等于常數，稱之為阻力系數。項目設計上，用阻力系數（R值）來表征進氣流道的流阻大小：R=P/Q2（其中P為流道靜壓降Pa；Q為空氣流量l/s），阻力系數（R值）表征的是流道順暢程度。理論上，流道結構不變的情況下，R值也唯一。

空調進氣壓降設計工作中通常借助計算流體商業軟件進行虛擬分析實現，其分析原理基于流體力學理論，計算過程涉及流體力學連續性方程，即運動流體物質守恒方程以及動量方程，及流體流動過程中受各種力作用下的平衡方程[1，2]。分析步驟從數據的收集到前處理劃分網格，設置邊界條件，到計算輸出結果，其中網格生成采用四面體畫法，最后通過生成的網格導人Fluent軟件進行計算。

通過計算機仿真技術的應用以及經驗積累發現，空調進氣格柵開口面積、位置，空調進氣格柵與發動機艙蓋之間的間隙大小，車身空調進氣腔結構形式等都是影響阻力系數的關鍵因素。空調進氣格柵開口面積越大，進氣阻力越小，但是過大的開口面積，會導致車身空調進氣腔排水負擔過重，排水不及時等問題，因此開口面積的大小需要根據整車空氣流量的大小并結合車身空調進氣腔的排水能力綜合制定。為確保整車開發過程中空調進氣壓降設計上處于合理水平，空調進氣格柵進氣面必須布置在正壓區，為保證空調進氣口的水汽分離，空調進氣格柵上的開口距離空調進氣口距離至少大于250 mm。車身空調進氣腔結構受前艙區域總布置得影響，在保證前艙布置的前提下，截面面積盡可能大并且均勻一致，車身空調進氣腔寬深比大于3，腔內支架的設計也要考慮對氣流的阻力影響。

2 水管理

乘用車空調進氣格柵是前擋風玻璃，發動機艙蓋，翼子板之間的外飾覆蓋件，下雨或洗車時，大部分的水會從車頂沿前擋風玻璃流下，積水從進氣格柵上的孔狀結構流入車身腔體內，從圖2可以看出，乘用車空調進氣格柵區域有雨刮系統，空調進氣口等需要防水的部件，雨刮電機水侵入會導致系統不能正常運行，影響行車安全，空調系統水侵入會影響鼓風機性能，嚴重的甚至會出現水侵入乘客艙，影響車輛最基本的擋風遮雨功能，因此該區域需要考慮安全有效的水管理。前期設計時，要充分考慮空調進氣格柵對外界水流的導向以及車身空腔結構的排水能力，車身空調進氣腔內的積水高度不能超過雨刮電機以及空調進氣口的布置高度，并要有足夠的設計余量。

為提升前期設計的精確度，同樣借助計算機流體動力學軟件來模擬水流狀況，積水高度等，計算采用VOF多相流模型的瞬態模擬，通過定義VOF界面，進行數值模擬，顯示在既定的邊界條件下水的容積，積水的高度以及水流速度等，為空調系統以及雨刮系統的布置提供設計指導[3]。首先對空調進氣格柵、車身空調進氣腔、雨刮系統、空調內循環進氣口，前擋風玻璃等關鍵子系統進行網格劃分，從以上子系統三維幾何模型中提取VOF分析的邊界條件，邊界條件設置完成后，有計算機分析并輸出分析結果，具體結果分析實例如下。

（1）水流高度跟空調內循環進氣口之間的關系，根據計算結果給工程設計提供輸入，如果水流高度超過內循環進氣口高度，需要修改設計降低水流高度或者增加水流擋板防止水侵入。

（2）水流高度跟雨刮電機及連桿機構之間的關系：根據計算結果給工程設計提供輸入，如果水流高度高于雨刮電機的高度，需要修改設計降低水流高度或抬高雨刮電機，防止電機進水影響性能。

車身空調進氣腔是水流和氣流的通道，通常設計時考慮足夠的坡度設計并保證開口面積來加速水流的速度，根據水往低處走的物理常識，中間位置是最高點，將排水口設計在兩側位置低點，從而將水導向兩側安全區域。

3 結語

該文從空調進氣格柵的功能要求著手，從水、氣管理兩方面介紹了關鍵影響因素及其原理，影響因素間存在著相互的制約關系，在設計中需要綜合考慮其對水、氣的影響，該文借助計算機流體軟件模擬該區域的氣流受阻狀況、水流狀況以及積水高度，根據這些數據就可以調整設計找到最優匹配方案，改變了傳統設計中的依靠經驗進行定性分析、缺少定量數據的設計方法，有助于設計優化，從而提高設計開發質量。

參考文獻

[1] 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：235-238.

[2] 周俊杰，徐國權，張華俊.FLUENT工程技術與實用分析[M].北京：中國水利水電出版社，2010：13-15.

[3] 趙玉新.FLUENT幫助手冊[M].長沙：國防科技大學出版社，2003：35-40.