某電動車型空調管道和出風口的氣動噪聲分析

陳明柱 趙玉壘

（長城汽車股份有限公司；河北省汽車工程技術研究中心）

汽車的空調出風口與駕駛室相連，空調箱體的噪聲直接進入駕駛室內，尤其是新能源汽車沒有傳統發動機的背景噪聲，空調的噪聲成為車內的主要噪聲源[1]。伴隨著鼓風機性能的提升，由氣動噪聲占主導的次要噪聲源凸顯出來[2]。空調管道存在凸起結構、曲率設計不合理、截面突變等問題，出風口也存在凹槽、末端截面突擴、縫隙狹小等問題，這些均容易產生氣動噪聲。文章以某純電動車型空調管道和出風口為研究對象，利用計算氣動聲學（CAA）[3]方法對空調管道及出風口的仿真結果進行分析，找出噪聲源分布[4]。根據噪聲源和空調管道及出風口內流場分布等信息，提出工程可實現的優化建議并進行驗證分析，從而降低了空調系統的噪聲。

1 術語和定義

文章涉及的術語及其定義如下。

1）流致噪聲。由于空調管道曲率變化及出風口結構復雜，導致氣流不規則流動而產生的噪聲。

2）寬頻噪聲。在零到正無窮頻率都有聲波能量的一種噪聲。

3）大渦模擬。大渦模擬（LES）是對紊流脈動（或紊流渦）的一種空間平均，也就是通過某種濾波函數將大尺度的渦和小尺度的渦分離開，大尺度的渦直接模擬，小尺度的渦用模型來封閉。它區別于直接數值模擬（DNS）和雷諾平均（RANS）的方法，基本思想是通過精確求解某個尺度以上所湍流尺度的運動，從而能夠捕捉到RANS 方法所無能為力的許多非穩態、非平衡過程中出現的大尺度效應和擬序結構，同時克服了DNS需要求解所有湍流尺度的成本問題。

2 仿真分析及優化

2.1 模型搭建

空調管道及出風口模型，如圖1 所示，整個風道有4 個風道與儀表板上4 個出風口相連接。

圖1 電動車空調管道及出風口幾何模型

2.2 網格劃分及邊界條件設置

在風道入口法線方向延伸一段距離，將延伸管道作為循環體，用以模擬管道內充分發展的氣流情況，如圖2 所示。

圖2 電動車空調管道及出風口循環體模型

空調管道和出風口仿真分析網格模型，如圖3 所示。由于受流體粘性影響，管道內近壁面會形成一層附面層，因此，在近壁面設置了4 層邊界層來模擬附面層的影響，計算模型網格約540 萬個，分析工況為空調全負荷吹面模式，計算邊界條件為：進口邊界條件為自由邊界（將循環體出口邊界數據加載到管道進口邊界）；出口為壓力出口。瞬態計算以穩態計算為初始值，穩態計算采用RNG 湍流模型進行求解。瞬態計算采用LES計算模型，時間步長決定了計算的最高頻率，根據奈奎斯特采樣定律，可還原的最高頻率只有采樣頻率的一半。氣動噪聲是寬頻帶噪聲且能量主要集中在中低頻，因此計算最高頻率設定為2 000 Hz，對應的時間步長為 6.25×10-5s。

圖3 電動車空調管道及出風口網格模型

2.3 原狀態分析結果

對仿真計算結果進行后處理，得到空調管道及出風口內流場分布、面聲源、體聲源、壓力分布等信息。圖4 示出空調管道和出風口內流場。

圖4 電動汽車空調原狀態管道內流場

從圖4 中可以看出，由于空調管道局部區域曲率過渡不合適，導致局部區域產生渦流，出風口設計不合理導致風口內存在渦流，有效面積小，致使出風口內流速較大。

2.4 空調管道及出風口優化分析

2.4.1 空調管道優化

在空調管道原狀態的基礎上對空調管道7 處局部出現渦流的區域進行曲率調整。

2.4.1.1 右側管道優化

針對圖4 中①②處的問題采取的優化方案，如圖5所示。圖5 中黑色線為原方案，紅色線為優化方案。

圖5 電動汽車空調右側管道優化方案局部剖面圖（YOZ 截面）

電動汽車空調右側管道優化前后內流場對比，如圖6 所示。從圖6 中可以看出，由于右側吹面管道與空調箱連接處管道成直角過渡，導致管道內氣流與管道分離產生渦流；在原方案基礎上對直角拐角進行優化后，管道內渦流基本消失。

圖6 電動汽車空調右側管道優化前后內流場對比

2.4.1.2 中間管道優化

針對圖4 中③④⑤處的問題采取的優化方案，如圖7 所示。圖7 中黑色線為原方案，紅色線為優化方案1，綠色線為優化方案2。

圖7 電動汽車空調中間管道優化方案局部剖面圖（XOY 截面）

電動汽車空調中間管道優化前后內流場對比，如圖8 所示。從圖8 中可以看出，中左和中右管道為一體式，由于空調箱與出風口間距離有限，導致管道不能充分發展，管道曲率過渡急，致使管道內產生渦流；在原方案基礎上將兩側管道內收，從流場結果來看，優化方案1 基本沒效果，優化方案2 使流場內的渦流明顯減少。

圖8 電動汽車空調中間管道優化前后內流場對比

2.4.1.3 左右兩側管道優化

針對圖4 中⑥⑦處的問題采取的優化方案，如圖9所示。圖9 中透明黑色為原方案，土色為優化方案1，藍色為優化方案2。

圖9 電動汽車空調左右兩側管道優化方案

電動汽車空調左右兩側管道優化前后內流場對比，如圖10 和圖11 所示。從圖10 和圖11 中可以看出，左右兩側管道與出風口連接處曲率過渡不合適導致管道內產生旋流；在原狀態基礎上對管道曲率進行優化，優化方案1 使管道內旋流減少，優化方案2 效果最為明顯，管道內旋流基本消失。

圖10 電動汽車空調左右兩側管道（問題⑥）優化前后內流場對比

圖11 電動汽車空調左右兩側管道（問題⑦）優化前后內流場對比

2.4.2 分風筋方案

由于中間兩管道風量分配不滿足要求，增加分風筋結構，但分風筋導致中間管道內氣流分離，產生渦流，噪聲增大。在原方案基礎上調整分風筋位置，如圖12 所示。圖12 中黑色線為原方案，藍色線為優化方案1，綠色線為優化方案2，紅色線為優化方案3。

電動汽車空調中間管道分風筋位置優化前后內流場對比，如圖13 所示。從圖13 中可以看出，方案2 和方案3 的優化效果較小，方案1 優化效果最佳，基本消除了管道內渦流（同時滿足風量分配要求，文章不對風量進行數據說明）。

2.4.3 出風口方案

由于扇葉裝配問題，導致出風口殼體出現凹槽，進而致使出風口內出現渦流。出風口殼體的截面突變會產生因氣流分離而形成的渦流區，會增大駕駛艙內噪聲；出風口殼體存在凹槽減小了實際過流面積，導致出風口內氣體流速增加，影響NVH 性能。為滿足氣動性能要求，去掉凹槽特征以達到減小或消除渦流的目的，如圖14 所示。

圖14 電動汽車空調出風口優化方案

優化前后空調出風口內流場對比，如圖15 所示。從圖15 中可看出，去除出風口殼體上的凹槽后，出風口內渦流消除。

圖15 電動汽車空調出風口優化前后內流場對比

2.4.4 寬頻噪聲對比

空調管道和出風口的噪聲主要分布在≤2 000 Hz的中低頻。圖16 示出空調4 個出風口的頻譜曲線圖。

圖16 電動汽車空調出風口頻譜曲線

從圖16a 可以看出，在出風口 1 處，450～900 Hz、1 100～1 400 Hz 頻率段處聲壓級下降明顯，優化狀態比原狀態出風口的總聲壓級低2.1 dB；如圖16b 所示，在出風口2 處，400～600 Hz 頻率段處聲壓級下降明顯，優化狀態比原狀態出風口的總聲壓級低2 dB；如圖16c所示，在出風口3 處，300～600 Hz 頻率段處聲壓級下降明顯，優化狀態比原狀態出風口的總聲壓級低2.2 dB；如圖16d 所示，在出風口 4 處，350～800 Hz 頻率段處聲壓級下降明顯，優化狀態比原狀態出風口的總聲壓級低2.8 dB。

3 結論

通過對空調管道及出風口的流致噪聲分析以及結構改進，有效降低了4 個出風口的噪聲水平，從仿真分析可以總結出以下措施：

1）風道盡量減少急轉彎。由于空氣流經彎管時，氣流流向必然發生改變，氣流脫離管道壁面，使局部區域出現負壓，氣流會在局部回旋，造成能量損失，產生噪聲。為此可減小轉彎處的局部阻力系數，增大彎曲處的曲率半徑和減少彎管過渡次數。

2）避免管道斷面突變。若風道斷面突然變化，氣流流速則會發生變化，部分氣流脫離突擴壁面，在擴大截面處產生氣流渦流，形成局部阻力，造成能量損失，因此在風道設計時應避免截面突然變化。

3）合理布置分風筋。由于氣流流經分風筋時必然發生分離，產生局部渦流，造成能量損失，因此應該合理布置分風筋走勢，減小管道渦流，降低氣動噪聲。

4）避免出風口內出現棱臺。出風口內存在棱臺會減小實際過流面積，導致出風口內氣體流速增加，出風口殼體的截面突變，會產生因氣流分離而形成的渦流區，增大駕駛艙內噪聲，影響氣動性能，因此需避免出風口內出現棱臺。