某電動汽車空調機組的仿真分析

張克鵬

（浙江盾安人工環境股份有限公司）

近年來，隨著國家對車輛環保性和乘客對汽車空調舒適性要求的日益提高，新能源汽車得到極大發展和推廣。電動汽車由于受到續航里程限制，對能耗要求比較苛刻，而空調作為電動汽車的主要能耗系統，其能否高效節能是電動汽車開發過程中必須考慮的問題。空調機組是汽車空調的重要組成部分，其空氣側氣流分布均勻性是影響性能的重要因素之一[1-2]。計算流體動力學（CFD）仿真技術在工業領域的應用得到越來越多的認可。它是伴隨著計算機技術和數值計算技術的發展而發展，利用計算機求解流體的各種守恒控制偏微分方程組的技術[3-7]。基于以上問題，文章提出使用CFD 仿真方法對某電動汽車空調機組性能進行分析。

1 流體力學方程

計算流體動力學（CFD）是把描述空氣運動的連續介質數學模型離散成大型代數方程組，并在計算機上求解。通過微分方程的離散化和代數化，把偏微分方程轉化為代數方程，再通過適當的數值計算方法求解方程組，得到流場的數值解，然后通過不同的擬合方法把節點解擬合到網格的對應區域。

流體流動時所有介質滿足物理守恒定律：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。在流體流動處于湍流狀態時，整個體系還要遵循湍流運輸方程。以上這些守恒定律的數學描述，統稱為控制方程。文章選用CFD 軟件中提供的Realizablek-ε 湍流模型進行數值計算[8-10]。

湍流控制方程為三維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes 方程。

1）質量守恒方程：

2）動量方程：

3）能量方程：

式中：ρ——流體體積質量，kg/m3；

t——時間，s；

u——速度矢量，m/s；

u，v，w——u 在x，y，z方向的分量；

p——流體微元體上的壓力，N；

τ——粘性應力，Pa；

Fx，Fy，Fz——x，y，z3 個方向上的微元體體力，N；

T——熱力學溫度，K；

k——流體換熱系數，W/（m2·K）；

cp——流體比熱容，J/（kg·K）；

ST——流體內熱源的能量和由于粘性作用引起的流體機械能轉換為熱能的能量，J[11-12]。

2 模型建立及邊界條件

2.1 三維模型建立

計算模型為某電動汽車空調機組，采用SolidWorks軟件建立其三維模型，如圖1所示。幾何模型生成后，為了建立有限元模型，需要將空調機組模型從Solid-Works 中導出為.stp 格式。

圖1 某電動汽車空調機組三維模型

2.2 網格模型建立

針對該空調機組，文章采用ANSYS 仿真平臺CFD專業前處理軟件ICEM CFD 進行幾何清理和網格劃分。面網格全部采用三角形網格，為獲得空調機組計算域入口處更好的計算收斂性，在其入口邊界進行外部拉伸，拉伸長度為入口直徑的3 倍。電動汽車空調機組流體計算域模型及機組網格模型，分別如圖2 和圖3所示，最終形成四面體網格非結構化數為6 145 895。

圖2 某電動汽車空調機組流體計算域模型

圖3 某電動汽車空調機組網格模型

圖4 示出電動汽車空調機組模型網格檢查情況，其中橫坐標數值越大代表網格質量越好。從圖4 中可以看出，空調機組模型網格質量都在0.35 以上，網格質量較好，滿足計算要求。

圖4 某電動汽車空調機組模型網格質量

2.3 邊界條件的設定

由于電動汽車一般的工作環境溫度在-20～40 ℃范圍內，空氣的物理參數隨溫度變化范圍不大，因此對該車空調機組內部流動情況的研究，僅考慮流場內空氣的流動特性，對溫度場的變化情況暫做忽略，計算流動工質為空氣，空氣體積質量為1.18 kg/m3。具體設置如下：

1）總體設置：流體為空氣，不考慮能量轉化，僅作流場分析。計算軟件為大型CFD 商用軟件ANSYS Fluent，采用穩態計算，湍流模型選擇Realizablek-ε模型，進出口邊界條件選擇流量進口、壓力出口風扇fan，換熱器采用多孔介質模型，風扇采用二維模型。壓力速度耦合采用SIMPLEC 算法，離散格式采用2 階迎風格式。

2）進口邊界條件湍流定義方法為湍流強度+水力直徑，流量進口流速設置為6 500 m3/h，湍流強度為5%，水力直徑為0.221 m；出口邊界條件湍流定義方法也為湍流強度+水力直徑，出口壓力為140 Pa，湍流強度為5%，水力直徑為0.354 m。

3）換熱器作為多孔介質模型，需要通過換熱器的流速和壓降關系計算多孔介質模型的慣性阻力系數和粘性阻力系數。在CFD 軟件中，多孔介質的壓降公式表示為：

式中：Δp——流體經過多孔介質后的壓降，Pa；

Pi——多孔介質的慣性阻力系數，kg/m4；

——流體經過多孔介質的等效速度，m/s；

Pv——多孔介質的粘性阻力系數，kg/m2·s；

L——多孔介質軸向長度，m。

表1 示出試驗流速壓降計算結果。

表1 某電動汽車換熱器風量-壓損測試結果

根據表1 得到換熱器風速-壓損曲線（如圖5 所示），并擬合多項式。根據二次多項式前的系數和相關公式計算出多孔介質模型的粘性阻力系數和慣性阻力系數分別為14.364 kg/m2·s 和0.448 kg/m3。

圖5 某電動汽車換熱器風速-壓損曲線

3 計算結果分析

3.1 仿真計算結果

圖6示出空調機組內部氣流的流線圖。從圖6 中可以看出，機組內部流線不存在間斷的現象，說明機組內部空氣流動比較順暢，不存在速度死區。

圖6 某電動汽車空調機組內部空氣流線圖顯示界面

圖7和圖8 分別示出空調機組在中心切面前0.6 m 處縱向截面的速度矢量圖和速度等值云圖。

圖7 空調機組在中心切面前0.6 m 處縱向截面速度矢量圖顯示界面

圖8 空調機組在中心切面前0.6 m 處縱向截面速度等值圖顯示界面

從圖8中可以看出，在換熱器左、右2 個邊角區域存在低速區，速度為0.98～1.98 m/s；在左邊換熱器左下側和右邊換熱器右下側區域由于存在擋板，氣流在該區域會形成回流，回流與空調機組頂部進風相遇，導致風速抵消，會在換熱器上方區域形成低速區。

圖9示出換熱器表面速度分布云圖。從圖9 中可以看出，換熱器進口表面速度分布并不均勻，上側部分速度較高，下側部分速度較低。

圖9 某電動汽車換熱器表面速度分布云圖顯示界面

圖10和圖11分別示出空調機組在中心切面前方0.6 m 處縱向截面的壓力等值云圖和換熱器表面壓力分布云圖。

圖10 空調機組在中心切面前0.6 m 處縱向截面壓力等值圖顯示界面

圖11 換熱器表面壓力分布云圖顯示界面

從圖10 中可以看出，空調機組內壓力分布與速度分布相互對應，換熱器左、右2 個邊角區域壓力較大，存在一定的氣流緩速區；從圖11 中也可以看出，換熱器進口表面壓力分布不均勻，與速度分布相對應，即在速度高的區域壓力低，速度低的區域壓力較高。

3.2 仿真計算與試驗結果對比

在帶有環境的風洞中進行該電動汽車空調機組的環境試驗。表2 示出換熱器仿真與試驗結果對比。

表2 某電動汽車空調機組仿真與試驗對比

從表2 中可以看出，各項的仿真結果與試驗結果的誤差都在6%以內，滿足工程分析精度需求，因此可以利用CFD 仿真結果對后續設計優化提供方案優化選型等技術支持。

4 結論

利用CFD仿真技術對某電動汽車空調機組進行分析，并將換熱器表面速度與壓差計算結果與試驗結果進行對比，證明CFD 仿真分析的工程精度可行性；通過對額定風量工況下的空調機組進行CFD 分析，找出氣流對空調機組性能的影響位置，在后續空調機組設計過程中需要考慮優化。在下一步電動汽車空調機組開發中，建議在設計方案定型前，進行各工況充分的仿真分析驗證，有效提升空調機組性能，降低電動汽車能耗，在提高其續航里程的同時，有效提高產品競爭力。