汽車空調系統中離心風機三維數值仿真與實驗研究

楊松，王新亮

(新鄉學院機電工程學院，河南新鄉 453003)

汽車空調系統中離心風機三維數值仿真與實驗研究

楊松，王新亮

(新鄉學院機電工程學院，河南新鄉 453003)

建立某車型空調通風系統包括葉輪及蝸殼結構在內的多翼離心通風機三維幾何模型，完成了多種工況下風機內部三維流場的定常和非定常仿真計算，并進行相應的實驗測試，對仿真計算的準確性進行驗證。詳細分析了多翼離心風機內部隨時間變化的速度場、壓力場和典型監測點處壓力脈動的變化規律，對汽車空調風機的進一步優化提供指導方向。

汽車空調；多翼離心通風機；非定常；數值模擬；實驗研究

0 引言

在相同流量及壓頭情況下，離心式多翼通風機具有占用空間小、氣動噪聲低等優點[1]，在汽車空調通風系統中得到廣泛的應用。多翼離心風機壓頭、氣動噪聲、效率等綜合性能的高低直接影響車內舒適性及整車的口碑。多翼離心風機雖然具有抗壓能力強、流量較大等優點，但是存在效率較低等不足，國內外技術及科研人員針對它進行了大量的實驗及仿真研究工作。

1 仿真模型

圖1所示為某汽車空調通風系統中多翼離心風機的三維幾何模型，葉片型式為單圓弧直葉片，數量為44，進、出口葉輪安裝角分別為β1=89°、β2=165°。

圖2所示為仿真計算多翼離心風機的網格模型。由于通風機葉片及蝸殼的曲面形狀相對比較復雜，對整體風機流道全部生成高質量的結構化網格是比較困難的[2]，因此，將三維模型分為3個區域，并采用四面體網格進行空間離散[3]。

數值模擬采用有限容積法，采用RNGk-ε湍流模型[3]，葉輪旋轉區域與靜止區域的交界面使用Interface邊界[4-5]。

圖1 三維幾何模型

圖2 網格模型

2 仿真與實驗對比

仿真與實驗的對比結果如表1所示，數值模擬對比實驗的平均誤差在5%以內，說明仿真結果可以滿足實際工程應用。仿真工況包括背壓10 Pa、35 Pa、60 Pa、90 Pa及120 Pa，并相應進行了實驗測試。該多翼離心風機通過仿真計算獲得的p-Q性能曲線如圖3所示。

表1 仿真結果與實驗結果對比

圖3 p-Q曲線

3 流場特性分析

3.1 速度場

離心風機內流場流線圖及中心截面的速度矢量圖分別如圖4—5所示，截面氣流流動性能較好，氣流在葉輪形成負壓作用下呈放射性進入葉輪[6-7]，并經葉輪旋轉做功之后沿蝸殼流入大氣。另外，氣流在離心風機蝸舌處存在明顯回流，但是強度并不是很大。從速度場分布可以定性直觀地看出離心風機氣流軸向流入、徑向流出的特征。

圖4 流線圖

圖5 中截面速度矢量圖

3.2 壓力場

圖6所示為不同時刻中截面壓力場分布。

圖6 不同時刻中截面壓力場分布

可以看出：不同時刻壓力場分布趨勢是一致的，由于時間間隔非常短，差異不是十分明顯。氣流在葉輪做功作用下高速脫離葉片進入出口流道，在靠近蝸殼出口區域存在明顯的低壓區；另外，不同時刻在緊貼蝸殼區域都存在明顯的高壓區，說明氣流對蝸殼型線的貼附性較好[8]；而蝸舌位置的高壓區則是由于在此處形成回流造成的。

3.3 壓力脈動

從以上分析可以看出，蝸舌區域附近的流場對風機內流場及整機性能都具有重要影響。為了研究該區域的流動特點，需要對其氣流的壓力脈動規律進行監測，A、B兩個測點位置如圖7所示。

圖7 監測點位置

圖8和圖9分別為A、B兩點壓力值隨時間的變化情況。

圖8 點A壓力脈動監測

圖9 點B壓力脈動監測

可以看出：點A處壓力值在10 Pa附近上下波動，幅度在±5 Pa左右，隨著風機啟動進入平穩運行狀態后，壓力波動情況也趨于穩定；類似地，點B處壓力值在85 Pa上下波動，幅度在±7 Pa左右。監測點壓力脈動整體呈波峰、波谷交替出現的趨勢，而點B由于位于蝸舌的回風口，波動頻率明顯高于點A處。

4 小結

對某車型汽車空調通風系統中多翼離心通風機的內流場進行流體動力學性能計算，重點分析了整機流場中速度場、壓力場以及蝸舌附近壓力脈動的分布規律。研究發現：

(1)蝸殼流道內的蝸舌位置存在高壓區，在靠近蝸殼出口位置處存在低壓區。

(2)蝸舌間隙內的壓力值較高，壓力脈動整體呈波峰、波谷交替出現的趨勢，在85 Pa上下波動，幅度在±7 Pa左右。

(3)流場穩定后，速度場、壓力場在不同時刻的分布趨勢一致。

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NumericalSimulationandExperimentResearchofWholeFlowFieldinaMulti-bladeCentrifugalFanofHVACinAutomobile

YANG Song, WANG Xinliang

(Mechanical and Engineering College, Xinxiang University, Xinxiang Henan 453003,China)

The full flow field model of a widely used multi-blade centrifugal of HVAC in automobile including the wheel and volute was built, the steady and unsteady numerical simulation of the inner flow in the fan at different working conditions were presented. The numerical simulation results were validated by contrasting to the experiment results. The results display the characteristics of the velocity field, pressure field and pressure fluctuate in the centrifugal fan. The results can provide basis for optimizing the fan design and the internal flow, and have important value of engineering applications in the increase of the overall performance in operation.

Vehicle air conditioner; Multi-blade centrifugal fan; Unsteady flow; Numerical simulation; Experiment research

TH432.1

B

1674-1986(2017)09-045-03

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.010

2017-05-19

楊松(1986—)，男，碩士研究生，研究方向為電動汽車。E-mail：ysgwl037@126.com。