基于汽車空調溫度控制性能提升的導流板響應面優化分析

【摘要】為解決汽車空調出風口溫度不均勻和差異性大的問題，對汽車空調出風口溫度控制曲線進行試驗和仿真，采用響應面優化的方法對導流板結構的外邊長度、里邊長度和傾斜角度與平均溫度和溫度差進行相關性分析，得出回歸多項式、響應面曲線圖和導流板結構的最優參數設計，仿真結果表明，該方法改進了汽車空調的溫度控制曲線性能。

主題詞：汽車空調 溫度控制曲線 導流板 響應面優化 結構設計

中圖分類號：U463.85" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230233

Improvement of TCC Performance of Automotive Air Conditioner by Deflector Based on Response Surface Optimization

Liu Xiang， Zhu Shuai， Zhu kai

（Xinyang Vocational and Technical college， Xinyang 464000）

【Abstract】To solve the problem of unevenness and large difference in temperature at the air outlet of car air conditioners， temperature control curve of a car air conditioning outlet is simulated and tested. The correlation analysis of the outer length， inner length ard inclination angle of the deflector structure with the awerage temperature and temperature difference is performed by using response surface optimization to derive the regression polynomials， response surface graphs， and the optimal parameter design of the deflector structure. The simulation results show that this method improves the temperature control curve performance of the car air conditioner

Key words： Automobile air conditioner， Temperature control curve， Deflector， Response surface optimization， Structural design

【引用格式】 劉翔， 朱帥， 朱凱. 基于汽車空調溫度控制性能提升的導流板響應面優化分析[J]. 汽車技術， 2025（4）： 56-62.

LIU X， ZHU S， ZHU K. Improvement of TCC Performance of Automotive Air Conditioner by Deflector Based on Response Surface Optimization[J]. Automobile Technology， 2025（4）： 56-62.

1 前言

優化汽車空調的溫度控制性能對自動控溫空調的研究十分重要，是提高汽車舒適性和安全性的重要手段[1-2]。楊潔[3]探索了汽車熱環境的分布及變化對乘員的影響并建立乘員熱舒適性預測模型。胡楊[4]對比了3種不同殼體結構對汽車空調溫度性能的影響，對所有模型內部的溫度特性曲線進行對比研究，選出具有最佳溫度曲線的空調模型。王金鳳[5]改進了原汽車空調內部結構及其部件設計，提高了溫度控制與降噪性能。先前研究對汽車空調溫度控制的評價標準尚不清晰或優化方法較為復雜，應用困難，因此，本文通過仿真試驗對汽車空調的溫度場進行分析，并對該空調的溫度控制曲線進行評價，分析汽車空調的溫度控制性能，采用響應面優化導流板提升空調的溫度控制性能。

2 溫度控制曲線試驗

2.1 溫度控制曲線采集

汽車空調溫度控制是指控制經蒸發器降溫或暖風芯體加熱后在殼體內部形成混合風的溫度。溫度控制曲線（Temperature Control Curve，TCC）是汽車空調出風口的溫度隨空調內部風門打開角度變化的曲線，是評價汽車空調溫度控制性能的重要依據。本研究分別對某汽車空調吹臉、吹臉吹腳、吹腳、吹腳除霜和除霜5種模式進行試驗，得到該空調的溫度控制曲線。

TCC試驗如圖1所示，試驗配置狀態完好的空調樣件、試驗臺和若干熱電偶等部件。將帶有風道的汽車空調安裝在TCC試驗臺上，并在進風口和各個出風口布置4個熱電偶，監測進風和出風的平均溫度。

2.2 溫度控制曲線評價標準

汽車空調TCC評價標準主要包括均勻性、差異性、漸進性和滯后性[6-9]。均勻性是指同一功能儀表板出風口左右溫差不超過5 ℃，前后排溫差不超過8 ℃。差異性是指半模式時2種不同模式出風口的溫差值不可過大，如吹臉吹腳模式下吹臉出風口和吹腳出風口的溫差應在0～10 ℃范圍內。漸進性是指所有出風口的溫度控制曲線在風門由全開到全關的過程中曲線曲率合適，逐步變化，即混合風門角度每變化10%，溫差不能超過全程的20%。滯后性是指同一出風口，在不同轉向時的同一混合風門位置的出風溫度差異不超過5 ℃，如吹臉模式下在混合風門50%位置處，由混合風門全開狀態轉到50%處與由混合風門全關狀態轉到50%處的溫差不可超過5 ℃。

2.3 溫度控制曲線試驗結果

試驗臺測試系統控制內部風門旋轉，依次測量出吹臉模式、吹臉吹腳模式、吹腳模式、吹腳除霜模式和除霜模式下混合風門由全關到全開（出風由冷到熱），再由全開到全關（出風由熱到冷）過程中出風口溫度。本文以整模式的吹臉模式和半模式的吹臉吹腳模式為例，得到出風口的TCC曲線如圖2、圖3所示。

2.4 溫度控制曲線結果分析

由圖2可以看出，吹臉模式下均勻性較差，在混合風門開度40%～80%附近左右吹臉出風口溫差較大，最左側和中間左側吹臉出風口溫度高于最右側和中間右側出風口的溫度，溫差最高可達20 ℃。當乘員進行溫度調節時，出風口溫度一致性較低，影響車內溫度調節；由于溫差過大漸進性不易評價；滯后性在要求范圍內。從圖3吹腳吹臉模式下的溫度控制曲線可以發現，存在明顯的溫度均勻性問題和差異性問題，吹腳出風口和吹臉出風口的溫差最高可達20 ℃。

從該試驗結果綜合分析可知該TCC性能均勻性和差異性問題較為嚴重，漸進性其次，滯后性較好。因此，為解決該空調TCC性能的均勻性和差異性問題，本文根據試驗結果，借助流體仿真，分析空調內部流場情況，對導流板結構進行適當優化，然后通過響應面分析方法確定改善空調內部流場和溫度場的結構設計方案，使各個模式下的均勻性和差異性均滿足要求。

3 溫度控制曲線仿真

本文采用STAR-CCM+流場仿真軟件進行仿真模擬，建立完整的幾何模型，將其分割為不同的區域，并進行網格劃分，如圖4所示。設置湍流模擬模型和邊界條件，在區域連續體物理模型中選擇三維、定常、分離流、空氣、恒密度、雷諾平均納維－斯托克斯、標準的k-ε兩層模型，壁面采用兩層y+壁面處理。空調入口處風量設置為質量流量入口0.06 kg/s，湍流長度比例為0.7 mm，湍流強度為0.043 m/s，溫度為0 ℃；出風口為壓力出口；暖風芯體和蒸發器為正交各向異性多孔介質區域[10]。對該模型網格、物理模型和邊界條件設置完成后依次轉動混合風門進行仿真，按照實際空調混合風門位置點，得到對應的12個仿真數據。整理每個模式下所有出風口在各個位置的平均溫度，即得到仿真的TCC結果，如圖5、圖6所示。

圖5為吹臉模式下試驗與仿真的溫度控制曲線對比，圖6為吹臉吹腳模式下仿真與試驗的溫度控制曲線對比。從圖中可以看出，各個出風口的溫度高低順序與試驗測得的出風口溫度高低順序一致，即仿真與實際測試中混合風的流動狀態一致，因此，可認為TCC仿真結果符合要求。

4 導流板優化

4.1 導流板響應面優化方案設計

通過研究分析發現，針對TCC性能的均勻性和差異性進行優化時最直接有效的方法是改變空調內部的導流板結構，從試驗數據和仿真云圖對導流板流場和溫度場進行分析，初步確定可以通過在導流板結構中增加擋板改善空調內部流場狀態，加速冷風和熱風的均勻混合，如圖7所示。已知根據汽車空調內部空間結構和裝配要求設計：傾斜角度范圍為0～20°；里邊長度范圍為50～80 mm、外邊長度范圍為10～35 mm；通過對導流板結構的3個重要參數進行響應面分析，獲得3個影響因素的優先級并得出多項式回歸預測模型，找出對改善汽車空調內部流場和溫度場最合適的設計參數方案。

圖8為導流板在原空調模型中的流線圖，流經暖風芯體的熱風從導流板下方流入，流經蒸發器的冷風從導流板上方流入，為提高仿真效率，本文對汽車空調導流板結構進行簡化仿真，選取汽車空調混合風門在中間位置的冷熱風混合時的狀態進行仿真。

簡化后導流板流場區域模型如圖9所示，參考實際空調在該風門狀態下的冷熱風進風出口、進風面積和進風速度等，忽略后排吹臉流場部分，對該導流板的對應區域建立簡化的流體區域，并分別設置0 ℃流速為1.5 m/s的冷風入口和100 ℃流速為3 m/s的熱風入口，在出風口上方設置壓力出口平面監控該出風口的質量流量和平均溫度，并在該平面的左右對稱位置取相同出風面積S1、S2，輸出S1和S2的平均溫度來評價該狀態下的左右溫度差。

本次優化借助Design-Expert試驗設計分析軟件，采用響應面設計優化（Box-Behnken Design，BBD）方法，輸入傾斜角度范圍5°～15°、里邊長度范圍60～80 mm、外邊長度范圍15～35 mm，軟件自動生成中心點數為5、總試驗次數為17的不同結構參數的試驗方案，如表1所示。

4.2 導流板響應面優化分析

由表1的試驗結果可以看出，導流板結構對風量影響較小，可忽略，通過Design-Expert軟件進行響應面分析，建立平均溫度和溫度差的多元二次回歸方程如下：

[R1=+57.35-0.351A-0.03B-0.22C-" " " " "1.55×10-3AB+0.025AC+8.5×10-4BC]" " （1）

[R2=-14.33+2.083A+0.176B+0.565C+2.4×10-3AB-0.044 6AC-2.55×10-3BC-0.082 3A2-1.24×10-3B2+3.04×10-3C2]" " （2）

對式（1）進行平均溫度響應面方差分析，結果如表2所示。可以看出，模型大于檢驗水平（F值）的概率Plt;0.001，表明回歸模型極顯著，可靠性極高；其中單一因素傾斜角度A和外邊長度C對響應值的影響極顯著（Plt;0.001）；模型失擬項的P值為0.46gt;0.05，表明回歸模型殘差對響應值的影響不顯著。由此證明了該模型符合實際情況，可以應用該模型對出風口平均溫度進行分析和預測。從表2中看出，模型的相關系數R2=0.908 2，校正系數為0.853 2，說明該模型可以解釋90.8%的試驗所得降解率；變異系數為0.82%；說明該模型能較好地反映真實的試驗值，即試驗的可靠性較高。

對式（2）進行溫度差響應面方差分析，其結果如表3所示。可以看出，模型大于F值的概率Plt;0.005，表明回歸模型顯著，可靠性較高；其中單一因素傾斜角度A對響應值的影響極顯著（Plt;0.001）；模型失擬項的P值為0.065 6gt;0.05，表明回歸模型殘差對響應值的影響不顯著。由此證明了該模型符合實際情況，可以利用該模型對出風口溫度差進行分析和預測。從表3中看出，模型的相關系數R2=0.918 2，校正系數RAdj=0.812 9，說明模型可以解釋91.8%的試驗所得降解率；變異系數CV值為19.55%，說明模型能較好地反映真實的試驗值，試驗的可靠性較高。

4.3 導流板響應面優化結果

根據回歸模型分析結果，利用Design-Expert軟件繪制各因素交互效應響應曲面圖，如圖10、圖11所示。由圖10可以看出，對平均溫度影響最大的因素為傾斜角度，其次是外邊長度，最后為里邊長度。由圖11可以看出，對溫度差影響最大的因素為外邊長度，其次是傾斜角度，最后為里邊長度。因此，可知在導流板優化設計時需著重注意傾斜角度和外邊長度，優化結果如表4所示。

優化要求如表4所示，平均溫度R1越大說明熱交換效果越好，因此選取“約束”最大值，并適當增大范圍，將最大值設置為60 ℃；溫度差R2越小說明均勻性效果越好，因此選取“約束”最小值，并設置最小溫差為0 ℃。求解后即可得A、B、C對應的最優試驗值，即傾斜角度A為15°，里邊長度B為60 mm，外邊長度C為35 mm，此時響應值平均溫度R1為最大值56.050 4 ℃；溫度差R2為最小值1.381 4 ℃，如表5所示。

為驗證模型預測的準確性，按照優化后的條件進行仿真驗證，所得結果為R1=57.04 ℃、R2=1.28 ℃，與模型預測值較為接近，表明該模型能較好地預測實際情況。

5 優化導流板后TCC分析

圖12為原導流板吹臉模式混合風門半開狀態下的溫度流線云圖，可以看出，原結構的熱風向左偏移，使出風口的左側溫度較右側高，影響了TCC的均勻性。圖13為優化后導流板吹臉模式半熱溫度流線圖，優化后的結構由于中間部分添加的導流結構，從圖中流線可以看出，熱風被導向中間部分，提高了均勻性。

從仿真結果中可以看出，優化后導流板結構對提高TCC性能更具顯著效果，因此，繼續對優化導流板進行TCC仿真驗證，得出優化后的溫度控制曲線，如圖14、圖15所示，對比圖2、圖3可以看出，導流板優化后的TCC性能在均勻性和差異性方面較原狀態導流板明顯改善，漸進性同樣滿足標準要求。

6 結束語

本文以汽車空調為研究對象，從優化汽車空調內部導流板結構入手，通過響應面優化的方法合理設計導流結構參數，提高了該空調溫度控制曲線的均勻性和差異性，進而提高了該汽車空調的溫度控制性能。

優化導流板結構結合簡化后的CFD仿真模型，采用BBD響應面設計方法，通過對試驗數據進行回歸擬合和三維響應曲面圖的繪制，得出對應各因素水平的響應值，從中預測最優的因素設計方案。仿真驗證結果表明，TCC性能明顯提高，證明了該優化方法和優化方案能夠改進汽車空調溫度控制曲線，提高了該空調的溫度控制性能。

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（責任編輯 王 一）

修改稿收到日期為2023年8月19日