暖風芯體換熱性能CFD 三維仿真分析

王大健， 王 浩， 張 騫， 張金森

（南京協眾汽車空調集團有限公司， 江蘇 南京 211100）

1 引言

隨著社會的不斷進步，人們生活水平有了顯著提高，人們對汽車的要求也從使用性向舒適性過渡。乘員艙舒適性是評價一輛汽車整體舒適性的重要指標，也是各大廠商推銷的一大賣點，所以汽車廠對汽車空調也提出了更高的要求。汽車空調從功能上分主要有吹面、吹腳、除霜三大部分，其中吹腳、除霜兩大功能均與暖風芯體的性能息息相關，如果空調箱內暖風芯體的換熱性能不足將直接導致汽車采暖及除霜性能下降，從而影響車內乘員的舒適性，嚴重情況下可能使得汽車空調性能不能滿足法律法規要求，最終對汽車的銷量帶來不利影響［1］。

近年來，節能減排已經成為了社會發展的主題，各公司也積極響應國家的號召，大力推動公司的VAVE，開源節流，節能降本。每年公司在暖風芯體產品研發過程中，為了提高暖風芯體的換熱性能，投入了大量的人力物力，不斷進行樣件制作，樣件試驗。通過大量的試驗來提高暖風芯體的換熱性能，不僅成本較高，而且時間較長，極大地影響了項目的開發周期。為了降低試驗成本，提高項目開發進度及效率，公司決定在暖風芯體開發階段，通過CFD三維仿真來模擬暖風芯體的換熱性能。

近幾年來，CFD數值仿真分析技術已日趨成熟。事實證明，在汽車設計開發過程中，CFD仿真分析是一種真實有效降低開發成本并提高工作效率的手段［2］。而隨著計算機性能的快速發展，計算機對網格處理能力快速提高，暖風芯體換熱性能仿真也成為了可能。通過CFD仿真分析可直觀便捷地觀察到系統及零部件內部流場的速度、壓力及湍流的詳細分布情況，彌補了試驗測試手段的不足，有利于設計人員在項目前期開發過程中能及時有效地發現問題并通過相應的手段將其解決［3］。

本文以某公司兩款在研暖風芯體作為研究對象，對其不同工況下的換熱性能進行仿真分析，并與試驗結果進行對比分析，探究暖風芯體換熱性能CFD仿真分析的精度及可行性。通過對暖風芯體空氣側及水側的流場分析，為后期工程師優化提供參考及建議。

2 仿真模型搭建及設置

本次探究的暖風芯體為I型暖風芯體，下進上出，如圖1所示。本次CFD仿真的主要思路是同時計算空氣側和水側，來模擬實際換熱工況。由于網格質量（面質量、接近度、翹曲度等） 對仿真精度有很大的影響，而且暖風芯體的翅片尺寸較小，扁管非常薄，為了提高仿真精度，需要將網格劃分得非常小。

圖1 暖風芯體模型

在初步網格劃分過程中，CFD遇到了一個非常頭疼的問題。由于翅片尺寸較小，數量較多，為了體現翅片等局部細小特征，將面網格尺寸控制在0.3mm左右，在整個暖風芯體面網格搭建過程中，網格數量巨大，直接導致軟件崩潰。

為了減少對計算機性能的要求，提高CFD仿真效率及可行性，CFD工程師通過查閱資料及討論，采用以少算多的方法來計算暖風芯體的整體換熱性能。具體方法有兩種：方法1為先計算出每根扁管的流量，再計算每一根扁管換熱功率，加起來就是暖風芯體的整體換熱性能；方法2為假設每根扁管的流量都相同，先計算出一根扁管的換熱功率，再乘以扁管總的數量，算出暖風芯體的整體換熱性能。方法1的優點是更貼近實際工況，缺點是需要進行多次計算，仿真效率較低；方法2的優點是計算量小，缺點是每一根扁管的實際流量不相同，而仿真過程中按每根扁管流量相同來計算，與實際存在偏差。仿真模型如圖2所示。

圖2 暖風芯體仿真模型

需要注意的是，本次仿真計算的對象是一根扁管，所以選擇了一根扁管及與其相連的上下翅片的一半作為研究對象。如圖3所示。

圖3 仿真模型局部網格

因為翅片的形狀對暖風芯體的換熱性能有較大的影響，所以在劃分網格的時候需要盡可能體現翅片的局部特征。扁管及翅片固體域內部除了邊界層起碼要布置2個網格單元，由于固體厚度很薄，所以體網格選擇薄體網格類型進行劃分，流體域體網格選擇多面體網格類型進行劃分。

3 計算工況及邊界條件

本次仿真分析，空氣側介質為3℃和25℃空氣，暖風芯體內部流動介質為50%體積濃度的乙二醇水溶液，入口采用質量流量邊界，出口采用壓力邊界，氣壓值為標準大氣壓，具體仿真分析工況及介質屬性如表1所示。

表1 仿真計算工況

扁管及翅片的材料是鋁，密度為ρ=2700kg/m3，導熱系數k=220W/（m·K），比定壓熱容為Cp=870J/（kg·K）。

本次CFD仿真的原理是通過空氣側和水側同時計算來獲取暖風芯體的整體換熱性能，水側熱量通過扁管傳遞給翅片，冷風通過與翅片換熱來降低水側溫度，所以扁管及翅片需要設置為固體傳熱。而實際情況為多根扁管及翅片同時換熱，所以將風洞上下兩個面創建為對稱面，提高與實際工況的吻合度。

在風側及水側前后都設置兩個測點，用來監測溫度變化，如圖4所示。因為在CFD仿真計算中，必須要設置監測點來判斷計算是否收斂，有時候單看殘差的收斂性不能真實反映整個仿真計算的收斂性，所以本次仿真通過觀察測點的收斂性來判斷整個計算的收斂性。

圖4 設置風側及介質側溫度監測點

4 計算結果分析

從圖5監測點曲線可以看出，由于風側和水側需要同時計算換熱，所以收斂相比普通模型收斂較慢，仿真計算在9500步時基本收斂，前風測點溫度低于后風測點溫度，前液測點溫度低于后液測點溫度，這也與實際情況相符。

圖5 監測點溫度曲線

從圖6翅片外流場某段速度標量云圖可以看出，在風側進口及出口處風速都很均勻，剛進入翅片后，氣流發生紊亂，局部流速變高，而后漸漸風速降低。在經過翅片中部變向后，氣流再次發生紊亂，局部流速再次變高，而后風速降低，最后均勻流出翅片。

圖6 外流場某段速度標量云圖

從圖7翅片外流場某段速度矢量云圖可以看出，氣流經過翅片后，經微通道調整方向，與翅片發生換熱，翅片的角度及長度對暖風芯體換熱性能及流阻有著重要影響，所以開窗角度及長度也是暖風芯體優化的一個重要方向。

圖7 外流場某段速度矢量云圖

從圖8翅片及扁管溫度場分布云圖可以看出，右側進水，所以從右往左，水溫逐漸降低，上端進風，所以從上往下水溫逐漸降低，右上角水溫最高，左下角水溫最低，與實際相符。

圖8 翅片及扁管溫度場分布云圖

5 仿真與試驗結果對比

由于方法1需要計算每一根扁管的流量及換熱，所以需要對每一根扁管進行編號，方便結果統計。又因為結構原因，每一根扁管中間又存在隔板，所以一根扁管又分為迎風側一端和背風側一端。如圖9所示。

圖9 扁管編號示意圖

從各扁管換熱量圖（圖10）可以看出，從1號管至35號管，水流量逐漸降低，而且還非常明顯，這就說明暖風芯體內部各扁管流量不是均勻的，也說明了方法2與實際情況是存在差異的。水側和空氣側溫度也是從1號至35號越來越低，這也與圖8相符。此方法先算出35根扁管的換熱量，再相加得到整個暖風芯體的換熱量。暖風芯體的換熱量有空氣側換熱量和水側換熱量的區別，一般都選水側換熱量作為芯體的換熱量，所以仿真中也提取水側的換熱量與試驗結果進行對比。

圖10 各扁管換熱量圖

從表2可以看出，方法1和方法2仿真與試驗的誤差都很小，都能滿足精度要求。但是方法1計算量是方法2的35倍，如果扁管的數量更多，則方法1需要更大的計算量，這就與我們本次探究的目的不符，所以綜合考慮精度和時間因素，建議今后在暖風芯體換熱性能仿真分析中采用方法2。

表2 暖風芯體換熱量仿真與試驗對比

6 結論

通過本次對暖風芯體換熱性能的CFD仿真分析及對標，我們初步建立了暖風芯體換熱性能CFD仿真分析的能力。方法1和方法2的仿真方法精度均小于2%，證明此仿真分析方法可行且具有可信度。在新型翅片及扁管結構的研發工作中，能夠快速計算出芯體的換熱能力，提供給結構工程師參考，大大降低了樣件的制作成本、人力成本及時間成本，對于縮短項目開發周期有著重要意義。