CFD分析在空調除霜設計中的應用

田貴彬，時 辰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車空調的除霜系統對整車品質有重要影響，除霜系統的好壞影響到車輛在行駛中是否對駕駛員有視線干擾，造成行駛的危險。在除霜系統的設計過程中，經常會用到CFD分析，CFD分析能對除霜風道的風量、壁噪、風向等條件進行解析、整合，從而設計出最適合車輛的除霜風道。下面針對某輕型客車在設計除霜風道過程中用到的CFD分析對除霜風道的設計和CFD分析的應用進行淺析。

1 條件輸入

條件輸入包括三維數據、風量分配要求、空調主機總風量、空調主機芯體參數等。

1.1 參數輸入

除霜風道的CFD分析需求的參數包括暖風芯體風阻、蒸發器芯體風阻、HVAC在全熱除霜時的總風量，參數的輸入用于計算風量的流量、大小、風量分配等。暖風芯體參數見表1，蒸發器芯體參數見表2，空調主機參數見表3。

表1 暖風芯體參數

表2 蒸發器芯體參數

表3 空調主機參數

1.2 三維數模輸入

三維數模的輸入包括IP、前擋風玻璃、初版風道、HVAC等數據，在數據中需包含A區、A′區、B區、駕駛員視野區域等參數。圖1為IP+前擋玻璃示意圖，圖2為風道圖。

圖1 IP+前擋玻璃

圖2 風道

2 輸出分析報告

2.1 風量分配優化

風量分配在除霜中有著重要作用，合理分配除霜風量對除霜性能的好壞有直接影響，特別是側除霜關系到駕駛員的后視鏡視野區域，關系到駕駛員的安全駕駛性。優化前后的風量分配見圖3，優化分析結果見表4。

圖3 優化前后的風量分配

表4 風量分配優化分析結果

由圖3和表4中可以看出：①優化前，除霜各出風口中間風量大于設計目標，兩側風量小于設計目標，流量分配不滿足要求。②優化后，側除霜風量滿足要求，主駕前擋出口風量略大；在除霜風道內增加了導向側除霜風道的通風道，壓損增加了約24.7 Pa；③側除霜的風量分配大小取決于車輛發動機水溫的升溫速率，若升溫較慢，可取8%到10%的風量分配。

2.2 前擋風玻璃速度云圖

圖4中空缺部分為風速＞1.5 m／s區域。由圖4中可見：優化前，前擋玻璃表面A區區域風速較低，A′區區域風速較低；優化后，A區、A′區的玻璃表面風速均大于1.5 m／s，B區風速也得到明顯改善。

圖4 優化前后玻璃表面速度云圖 （1.5 m／s參考）

通常情況下，汽油機除霜前擋玻璃采用1.5 m／s風速作為判斷標準，可以滿足除霜國標要求，柴油機由于溫升較慢，會參考2.0 m／s風速分布進行判斷，見圖5。

圖5 優化前后玻璃表面速度云圖 （2.0 m／s參考）

圖5 中空缺部分為風速＞2.0 m／s區域。參考2.0 m／s的風速可以發現：在優化前，除霜風量小于2.0 m／s的區域在A區A′區占據太多；優化后，A區、A′區的玻璃表面風速基本大于2.0 m／s，B區風速也得到明顯改善。

根據優化后前擋玻璃表面1.5 m／s、2.0 m／s風速分布來看，優化后，可以滿足除霜要求。

2.3 側窗玻璃速度云圖

圖6中空缺部分為風速＞1.5 m／s區域。優化前，側窗玻璃指定除霜區域 （即駕駛員后視鏡視野區域）表面風速較低，除霜效果差，不能滿足要求；優化后，側窗玻璃指定除霜區域表面風速基本大于1.5 m／s，風速分布較合理。

圖7中空缺部分為風速＞2.0 m／s區域。優化后，側玻璃指定除霜區域表面風速基本大于1.5 m／s，2.0 m／s風速區域較小。根據以往分析經驗，側除霜由于除霜區域小，離出風口較近，除霜速度比前擋玻璃快，因此側除霜采用1.5 m／s風速可以滿足要求。

圖6 優化前后側窗玻璃表面速度云圖 （1.5 m／s參考）

圖7 優化前后側窗玻璃表面速度云圖 （2.0 m／s參考）

2.4 前擋風玻璃除霜風軌跡優化

圖8 為優化前后前擋風玻璃除霜風軌跡圖。優化前，前擋玻璃風軌跡線分布不理想，前擋玻璃除霜區域表面風速分布不均勻，中間風速低，兩側風速高；由除霜風軌跡圖可以看出：除霜風在A區出現分布不均勻的情況，且在除霜出風口處出現渦旋，不利于除霜。

優化后，由軌跡圖可以看出：前擋玻璃表面風速分布均勻，A區、A′區域均有風量覆蓋。

圖8 優化前后前擋風玻璃除霜風軌跡

2.5 側窗除霜風軌跡優化

從圖9、圖10中可以看出：在優化前，主駕和副駕的除霜風落點較低，除霜風不能打到側窗的駕駛員視野區域的玻璃上，不利于除霜，影響駕駛員安全駕駛；優化后，側除霜風的落點合理，且風速明顯提升。

圖9 優化前后主駕側窗除霜風軌跡

圖10 優化前后副駕側窗除霜風軌跡

3 校核數據及整改

在CFD分析的過程中，三維數據的修改和分析是同步進行的，下面介紹在達成以上分析結果時對除霜風道三維數據的設計修改。

圖11：風道外擴可減少壓損，降低噪聲，增加風量流動平順性。圖12：圓圈區域內原始模型可取消，減少前除霜格柵的長度，減少除霜風量的分散和浪費，可以看到在圖8a中，優化前風量分散到兩邊較多，優化后在圖8b上可見風量在前擋風玻璃的中間聚集且均勻分布。圖13：原始模型中除霜風道出風口轉彎太急，壓損和噪聲過大，導致除霜風擊打到前擋風玻璃處的燃燒點不合理，因此將出風口改平緩，合理改善燃燒點位置。為提高側除霜的風量，在主除霜通道內增加側除霜的分風道，如圖14所示。

圖11 主除霜通道靠近中間位置風道外擴

圖12 主除霜通道靠近格柵位置管型調整

圖13 主除霜管型調整

圖15 ：在主除霜通道內增加擋板可使除霜風在前擋風玻璃上均勻分布，保證除霜風能均勻吹到前擋風玻璃的A區、A′區等。圖16：側除霜格柵擋板的調整可讓風吹到駕駛員在側窗玻璃上的視野區域，保證駕駛員的視野清晰；側除霜的風道管型調整能降低壓損，提高風量，如圖16所示。

圖14 在主除霜通道內增加側除霜分風通道

圖15 在主除霜通道內增加擋板

4 總結

圖16 側除霜管型及格柵擋板角度調整

根據CFD分析結果，對空調的除霜風道進行優化和整改，在保證與其余分組間隙滿足的情況下進行多輪分析，輸出最終的三維數據模型。由以上分析可以看到，CFD分析可以幫助調整風道的風量分配，優化前擋風玻璃和側窗玻璃上的除霜風軌跡，改善除霜效果的同時保證車輛的駕駛安全性。

CFD分析對空調系統的風道設計具有很強的指導功能，可以分析指出風道設計中的缺點并加以改進，在實際的汽車空調設計中有非常廣泛的運用。掌握CFD分析的方法對空調系統的設計能力具有非常大的提升。