具有行李承載功能的客車空調(diào)風道的開發(fā)及仿真

魯秉仁,程二濤,倪一銘,聞 坤

(南京依維柯汽車有限公司,南京 211806)

受農(nóng)田及基礎設施限制,農(nóng)村公路路面寬度一般控制在4 m左右,市場上滿足該路況的客車產(chǎn)品較少。為適合農(nóng)村公路通行,我司準備開發(fā)一款短頭窄體客車,車身寬度控制在2 m之內(nèi)。為滿足營運客車相關要求[1],車內(nèi)需配備行李架,但在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)國內(nèi)現(xiàn)有的空調(diào)風道及行李架無法滿足窄體客車的需求。因此,本文結合車型結構特點開發(fā)一款滿足窄體客車需求的具有行李承載功能的空調(diào)風道,并對其進行流場仿真分析。

1 空間布置及結構設計

1.1 空間布置

國內(nèi)現(xiàn)有的風道及行李架一般左右并排橫向布置,風道布置在車頂兩側,中間布置行李架[2],如圖1所示。該布置結構一般適合車內(nèi)寬大于2 m、內(nèi)高大于1.9 m的車型,行李架及風道在橫向Y-Z截面的布置空間尺寸(W×L)一般大于650 mm×450 mm。

圖1 傳統(tǒng)風道及行李架布置

而本次開發(fā)的新車型,車頂內(nèi)寬、內(nèi)高僅有1.7 m左右,行李架及風道在Y-Z截面的布置空間尺寸(W×L)不超過430 mm×350 mm,因此現(xiàn)有的分體式風道及行李架不滿足該車型的空間布置需求。經(jīng)過分析,將空調(diào)風道與行李存放區(qū)域進行有機融合(如圖2所示),能夠解決此問題。

圖2 窄體客車風道與行李架融合布置

1.2 結構設計

前、后頂部裝飾件與左、右側冷風管道之間采取平滑過渡設計,車內(nèi)小行李架封頭可設計成封閉的斜面[3]。如圖3所示,風道上層結構板與車內(nèi)邊頂內(nèi)飾、中頂內(nèi)飾在車內(nèi)形成一定區(qū)域空間,用來存放行李,起到行李架的作用;通風道的上層結構板、下層結構板通過鋁型材[4]鉚接在一起,形成密閉的空間來輸送冷風,起到風道的作用[5]。風道總成通過吊柱用螺栓與車輛頂部骨架連接,用螺釘與車輛側面骨架連接,增加其強度,用來承載風道自身及存放行李的重量。下層結構板上裝配有常出風口與可調(diào)出風口,出風口的位置根據(jù)座椅布置及人機工程學予以排布[6]。在每個出風口附近鉚接支架,既能對上層結構板起到支撐作用,減小結構變形,又起到對風道內(nèi)空氣的擾流作用,使每個出風口空氣流速均勻。

1-風道上層結構板;2-風道下層結構板;3-支架;4-可調(diào)出風口;5-常出風口;6-鋁型材;7-LED燈帶;8-吊柱;9-頂部骨架;10-中頂內(nèi)飾;11-邊頂內(nèi)飾;12-側面骨架;13-螺栓;14-螺釘

2 風道流場分析

2.1 模型建立

結構設計完成后,根據(jù)風道數(shù)據(jù)建立分析模型,運用計算機ANSA和STAR CCM+軟件[7-8],基于CFD數(shù)值模擬方法[9],對風道內(nèi)的空氣流動進行流體力學分析。風道結構示意圖如圖4所示。

圖4 風道結構示意圖

在模型內(nèi)部空氣域生成Trimmer網(wǎng)格,單位長度3～20 mm左右,單元總數(shù)約38萬個,網(wǎng)格連續(xù)、均勻、過度平緩。風道體網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 風道體網(wǎng)格模型

從入口輸入空氣,入口邊界為質(zhì)量流量進口;出風口邊界為壓力出口,輸入?yún)?shù)見表1。

表1 輸入?yún)?shù)

2.2 結果分析

通過仿真計算,可求出風道上各出風口的風量分配比例,通過實車風速測試,數(shù)據(jù)見表2。

表2 吹面風道出風口風量分配比例

風道壓力分布如圖6所示,入口處為高壓區(qū),幾處局部低壓區(qū)域(淺色區(qū)域)是由于該處曲率較小,且處于端部,形成氣流分離區(qū)而導致的負壓區(qū)。

圖6 風道表面壓力云圖

圖7為吹面風道內(nèi)部流線圖,氣流流動紊亂,內(nèi)部流量不均勻,出現(xiàn)偏流現(xiàn)象。

圖7 風道內(nèi)部流線圖

2.3 結論與結構優(yōu)化

從計算結果和實測來看,初始設計空調(diào)風道結論如下：

1) 出風口1和出風口3風量分配比例及風速稍大,出風口4和出風口5風量分配比例及風速略小。

2) 風道內(nèi)部出現(xiàn)亂流、偏流現(xiàn)象,氣流不順暢,出風速度落差較大。

汽車空調(diào)風道結構影響著風道中氣流的流動阻力、氣動噪聲和出風指向性[10]。針對上述分析結果對風道結構進行優(yōu)化,主要措施如下：

1) 理論與試驗結果表明,客車風道內(nèi)風量分配主要由風道內(nèi)的靜壓分布決定[11],通過加大風道拐彎處曲率,減小氣流流動過程形成的負壓區(qū)。

2) 通過調(diào)整每個出風口附近的支架角度以及到出風口的距離,對風道內(nèi)空氣流場進行擾動,使每個出風口出風更加均勻,風速平穩(wěn)。

3) 通過加粗主出風管直徑,由40 mm調(diào)整為60 mm,減少風量損失。

2.4 結構優(yōu)化后的效果

優(yōu)化后,經(jīng)過再次仿真計算質(zhì)量流率,每個出風口風量分配更加均勻;另外,從實車測試的風速數(shù)據(jù)也可以看出每個出風口出風速度更加接近,具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 優(yōu)化后出風量分配數(shù)據(jù)

優(yōu)化后風道內(nèi)部氣流更加平順,如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后風道內(nèi)部流線圖

3 結束語

本文主要通過對客車風道及行李架的空間布置及結構設計,提出了一種具有行李承載功能的客車風道,并對其進行風道流場分析與優(yōu)化,為窄體客車提供了一種布置方案,解決了窄體營運客車行李架及風道設計困難的問題。