CFD方法的汽車空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄒平，牛貝貝，張成

(柳州五菱汽車工業(yè)有限公司技術(shù)中心，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展，汽車空調(diào)系統(tǒng)愈發(fā)完善，已成為汽車乘坐舒適性中一個重要的影響因素。汽車空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、鼓風(fēng)機和空調(diào)管道等部件構(gòu)成，其工作原理是通過制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動的壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)等過程實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)作為一個整體工作時，各部件之間是相互影響、相互聯(lián)系的[1]。空調(diào)管道的設(shè)計決定整個系統(tǒng)的壓降過程、流場分布、溫度分布和風(fēng)量分配，對整個空調(diào)系統(tǒng)的性能有很大影響[2]。因此，汽車空調(diào)系統(tǒng)對風(fēng)道的設(shè)計合理性要求嚴格。風(fēng)道流場中產(chǎn)生渦流或阻礙流場順暢流動的結(jié)構(gòu)都需要進行優(yōu)化。

近年來計算流體動力學(xué)(CFD)理論進一步發(fā)展，已經(jīng)成為流體機械設(shè)計初期指導(dǎo)的常用方法。通過CFD計算能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本，且能夠提供全面準確的信息[3]。在空調(diào)風(fēng)道的設(shè)計過程中，CFD方法的應(yīng)用可以縮短周期，為設(shè)計方向提供準確的指導(dǎo)。本文作者使用ANSA軟件輔助進行前處理，通過STAR-CCM+進行仿真計算，對某車型現(xiàn)有空調(diào)風(fēng)道流場流動情況進行分析，尋找其結(jié)構(gòu)設(shè)計中不合理的地方，并進行相應(yīng)的優(yōu)化。

1 數(shù)值計算

1.1 CFD現(xiàn)狀

CFD是數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)聯(lián)合發(fā)展的產(chǎn)物，它以計算機為工具，通過離散的數(shù)學(xué)方法，快速得到流體控制方程的近似解，可以對流體中的各類問題進行模擬和分析。

CFD方法通過流動現(xiàn)象的規(guī)律，綜合計算數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、流體力學(xué)等多個學(xué)科。現(xiàn)已應(yīng)用到航空航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域，對工程實際進行指導(dǎo)。可以大大縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

CFD基于流體控制方程，質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程等，工程仿真即求解方程在特定條件下的近似解，以得到流動過程中的相關(guān)物理參數(shù)。采用數(shù)值方法計算時，必須要對控制方程在空間上進行離散處理，得到離散的方程組，因此必須通過網(wǎng)格劃分來完成。

1.2 數(shù)學(xué)模型

湍流是一種是由于黏性力引起的，非常復(fù)雜的三維、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則運動。目前用數(shù)值模擬湍流流動的方法主要有：直接模擬(DNS)、大渦模擬(LES)和雷諾時均方程模擬(RANS)。

工程中應(yīng)用最為廣泛的是雷諾時均方程模擬，其計算效率較高，解的精度也基本可滿足工程需要，但缺點在于對不同性質(zhì)的流體運動不具有普適性。因為在平均運動中，雷諾應(yīng)力是未知的，需要建立湍流模型。湍流模型的選取主要取決于流動的邊界條件和計算的限制，如流體是否可壓縮、計算精度要求、時間等因素[4]。綜合考慮風(fēng)道仿真中流場為內(nèi)部流動和計算精度等因素，選擇SSTk-ω模型為湍流模型。

2 模型流動分析及優(yōu)化

2.1 風(fēng)道模型

仿真計算選取某車型已有的汽車空調(diào)風(fēng)道模型為研究對象。通過ANSA對其進行幾何清理，其幾何模型如圖1所示。

圖1 空調(diào)風(fēng)道幾何模型

幾何清理完成后首先劃分簡單面網(wǎng)格，然后將其導(dǎo)入STAR CCM+中進行包面處理得到質(zhì)量較高的面網(wǎng)格，然后生成體網(wǎng)格并檢查排除掉無效的網(wǎng)格單元。

仿真模型的體網(wǎng)格采用Trimmer網(wǎng)格。其中，風(fēng)道的體網(wǎng)格單元為308萬個，蒸發(fā)器芯體的體網(wǎng)格單元為5萬個，鼓風(fēng)機的體網(wǎng)格單元為255萬個，共計569萬個網(wǎng)格單元。網(wǎng)格劃分后根據(jù)空調(diào)風(fēng)道的性能參數(shù)和使用條件進行邊界條件的設(shè)置[5]。

2.2 計算設(shè)置

鼓風(fēng)機的進風(fēng)口設(shè)置為滯止入口(Stagnation Inlet)。由于蒸發(fā)器芯體包含百葉窗翅片結(jié)構(gòu)，在模擬蒸發(fā)器的壓損和傳熱過程時，可以將蒸發(fā)器芯體簡化為多孔介質(zhì)[6]。

根據(jù)汽車空調(diào)風(fēng)道中空氣流體的特點選擇相應(yīng)的模擬方法和模型，通過雷諾時均方程模擬，選擇SSTk-ω湍流模型，其計算所需的物理模型的選擇如圖2所示。

圖2 物理模型選擇

2.3 流動分析

2.3.1 鼓風(fēng)機出風(fēng)口

圖3為風(fēng)道Y向截面上的壓力分布云圖，可以看出鼓風(fēng)機出風(fēng)口處上下兩側(cè)尖角部分壓力較大，即出風(fēng)口處結(jié)構(gòu)對鼓風(fēng)機出風(fēng)的阻礙作用大。

圖3 壓力分布云圖

查看其速度分布圖可以清晰地觀察流動情況，如圖4所示，其黑色代表速度。蒸發(fā)器芯體上部進風(fēng)極少，是因為鼓風(fēng)機出風(fēng)口結(jié)構(gòu)阻擋了鼓風(fēng)機的出風(fēng)，這會導(dǎo)致蒸發(fā)器芯體傳熱利用率低下，影響空調(diào)性能。

圖4 速度分布圖

2.3.2 風(fēng)道內(nèi)腔

此風(fēng)道設(shè)計中出現(xiàn)較多截面面積急劇變化的地方。風(fēng)道的截面突變，彎曲程度過大都會對空調(diào)的性能產(chǎn)生影響[7]。這是因為，截面變小，氣流的運動速度會加快[8]。當(dāng)氣流脈沖遇到管道彎頭或者變截面時，會產(chǎn)生激振力，使管道產(chǎn)生振動，壓力波動越大，激振力就越大，振動就會越強烈[9]。

在STAR CCM+軟件中建立監(jiān)控面并查看流量監(jiān)測報告，監(jiān)測各個出風(fēng)口處的風(fēng)量見表1。

表1 各出風(fēng)口風(fēng)量統(tǒng)計

由表1中可以看出，B1、B2處2個的出風(fēng)口風(fēng)量較為均勻，但A1、A2、A3、A4的4個出風(fēng)口風(fēng)量差異較大。不均勻出風(fēng)會導(dǎo)致部分出風(fēng)口風(fēng)量和風(fēng)速過大，不利于NVH性能。

2.4 優(yōu)化方向

鼓風(fēng)機出風(fēng)口處結(jié)構(gòu)對風(fēng)道系統(tǒng)進風(fēng)有阻礙作用，鼓風(fēng)機外殼和進風(fēng)口共同構(gòu)成的出風(fēng)方向(沿出風(fēng)口切線向下)偏移過大。需要對出口處結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以減少其對進風(fēng)的阻擋，同時提高蒸發(fā)器芯體利用率。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如圖5所示。

圖5 風(fēng)機出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化

風(fēng)道內(nèi)腔中由于存在導(dǎo)流板將空氣導(dǎo)入兩側(cè)的出風(fēng)口，導(dǎo)流板后方?jīng)]有空氣流入，而風(fēng)道中部氣流速度較大，容易在導(dǎo)流板后方形成漩渦。且由于A1、A2、A3、A4的4個出風(fēng)口出風(fēng)不均勻，需要增設(shè)導(dǎo)流板對風(fēng)量進行重新分配，同時改善原導(dǎo)流板后方的漩渦。在風(fēng)道設(shè)計時，盡量減少內(nèi)部的負壓區(qū)，消除渦流區(qū)，風(fēng)道平滑過渡，利于對壓損、風(fēng)量的控制[10]。

如圖6所示的導(dǎo)流板為需要增設(shè)的導(dǎo)流板，將導(dǎo)流板設(shè)置在風(fēng)道內(nèi)腔的中間位置，并對其進行網(wǎng)格劃分。

圖6 風(fēng)道內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板

3 優(yōu)化效果

根據(jù)流場相關(guān)分析，找出流場中可能存在問題的地方并制定相應(yīng)的優(yōu)化方案。在鼓風(fēng)機出口處修改了出口臺階以改變其切線方向，減少出口對空氣的阻擋作用；在風(fēng)道內(nèi)腔中增設(shè)導(dǎo)流板，重新分配各個出風(fēng)口風(fēng)量。

根據(jù)優(yōu)化方案修改模型結(jié)構(gòu)后，重新對其進行仿真計算。統(tǒng)計各出風(fēng)口風(fēng)量見表2。

表2 優(yōu)化前后出風(fēng)對比

由表2可知，鼓風(fēng)機出口經(jīng)過優(yōu)化之后，在未改變鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速的情況下，流過風(fēng)道的風(fēng)量從405.5 m3/h提升至449.3 m3/h，風(fēng)量提升了10.8%。風(fēng)量的提高說明鼓風(fēng)機出口處的結(jié)構(gòu)優(yōu)化使其對空氣的阻擋作用有所降低，優(yōu)化方向有效。

A1、A2、A3、A4的4個出風(fēng)口的出風(fēng)均勻性有明顯提升，極差由26.5 m3/h減小為5 m3/h，方差由164.2減小為5.3。同時B1、B2出風(fēng)口出風(fēng)均勻性保持良好，說明風(fēng)道內(nèi)腔增設(shè)的導(dǎo)流板對風(fēng)量的重新分配使得A處出風(fēng)口風(fēng)量均勻。表明新增導(dǎo)流板的位置和大小適宜，合理分配各出風(fēng)口風(fēng)量。

圖7為鼓風(fēng)機出口速度分布。由圖可知，蒸發(fā)器芯體上半部分空氣流速和進風(fēng)量有明顯增加。

圖7 鼓風(fēng)機出口速度分布

鼓風(fēng)機出口處的優(yōu)化對出風(fēng)口處的影響不僅減少了出口結(jié)構(gòu)對空氣的阻擋，增加了總進風(fēng)量，還改變了鼓風(fēng)機出口的切線方向，使得鼓風(fēng)機出口處的出風(fēng)方向向下半部分偏向的角度變小，蒸發(fā)器芯體上半部分的進風(fēng)量增加，能提升芯體熱交換效率。

4 結(jié)論

(1)在流場中結(jié)構(gòu)突變的位置往往是導(dǎo)致壓力、速度、流量等異常改變的位置，因此在設(shè)計流場流域初期應(yīng)考慮盡量避免或減小結(jié)構(gòu)突變。

(2)鼓風(fēng)機出口處結(jié)構(gòu)優(yōu)化改變了出風(fēng)方向，使蒸發(fā)器芯體熱交換效率提升，還減小其對空氣的阻擋，鼓風(fēng)機進風(fēng)量提升了10.8%。