王小碧，王偉民，郭軍朝，史建鵬

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢 430056）

隨著汽車工業(yè)發(fā)展及乘用車開(kāi)發(fā)水平的提高，降低乘員艙的氣動(dòng)噪聲、提高乘員的舒適性，改善對(duì)環(huán)境的影響，是開(kāi)發(fā)新型乘用車面臨的重要課題?？照{(diào)系統(tǒng)配氣比直接影響乘員艙均勻降溫性能和舒適性，合理的配氣比可以提高乘員艙內(nèi)的舒適度。乘員艙的車內(nèi)噪聲已成為重要的舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，空調(diào)系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲在車內(nèi)噪聲中占有很大的比例，氣動(dòng)噪聲與空調(diào)風(fēng)道的布置及結(jié)構(gòu)等有關(guān)，風(fēng)管尺寸、流動(dòng)方向的突變、局部尖角或圓角等局部結(jié)構(gòu)特征對(duì)其影響都很大。

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用的是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，然后通過(guò)試驗(yàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能進(jìn)行考察，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)費(fèi)用高，且難于找到影響空調(diào)性能的主要因素。CFD、CAA技術(shù)在汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以明確研究方向，縮短研制周期，減少反復(fù)試驗(yàn)噪聲的浪費(fèi)。

1 空調(diào)系統(tǒng)原方案配氣比及氣動(dòng)噪聲分析

1.1 空調(diào)系統(tǒng)原方案存在問(wèn)題

對(duì)某乘用車空調(diào)系統(tǒng) （包括空調(diào)HVAC總成、通風(fēng)管道和儀表板等）進(jìn)行的配氣比和噪聲測(cè)量試驗(yàn)，如圖1所示，配氣比不滿足東風(fēng)汽車公司標(biāo)準(zhǔn)，而且通過(guò)與競(jìng)品車型對(duì)比分析，如圖2所示，原方案空調(diào)系統(tǒng)噪聲偏大，需要進(jìn)行改進(jìn)。

由于空調(diào)系統(tǒng)HVAC總成無(wú)法進(jìn)行更改，所以必須對(duì)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)管進(jìn)行分析優(yōu)化，使得空調(diào)系統(tǒng)配氣比達(dá)到要求，系統(tǒng)噪聲降低。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)原方案配氣比仿真分析

1.2.1 CFD仿真模型

由于風(fēng)機(jī)相對(duì)于整個(gè)空氣流道而言是一個(gè)獨(dú)立的部分，因此沒(méi)有考慮風(fēng)機(jī)部分，僅討論從風(fēng)機(jī)出口到儀表板送風(fēng)口的部分。為了對(duì)風(fēng)道內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)模型做如下簡(jiǎn)化：①風(fēng)道系統(tǒng)密封良好，除進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口外沒(méi)有空氣泄露；②空氣為不可壓縮流體，密度為常數(shù)；③吹腳風(fēng)門和除霜風(fēng)門關(guān)閉，只有儀表板送風(fēng)口開(kāi)啟。

圖3為空調(diào)系統(tǒng)原方案的三種模型：初始風(fēng)管、初始風(fēng)管+空氣濾芯+蒸發(fā)器、初始風(fēng)管+空氣濾芯+蒸發(fā)器+格柵。分別對(duì)三種模型進(jìn)行CFD分析。

整個(gè)模型在格柵、風(fēng)管拐角等對(duì)氣流影響較大的部分區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化?？諝鉃V芯和蒸發(fā)器通常都和全局坐標(biāo)系有一定的傾角，為了生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，使用STARCCM+中工具在這兩處生成局部坐標(biāo)系。生成Trimmer網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為500萬(wàn)左右，如圖4所示。

計(jì)算工況冷風(fēng)吹面（ATF）、內(nèi)循環(huán)、最大風(fēng)量；入口流量為500 kg/h，出口為壓力出口，壓力為0 Pa。分別對(duì)三種方案進(jìn)行分析。

1.2.2仿真結(jié)果分析

空調(diào)系統(tǒng)配氣比分析目的：

（1）考核各出風(fēng)口風(fēng)量配氣比是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

（2）對(duì)流態(tài)角度判斷，空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)管是否設(shè)計(jì)合理。

通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)方案Ⅲ與試驗(yàn)結(jié)果最為接近，誤差在3%以內(nèi)，驗(yàn)證了空調(diào)系統(tǒng)配氣比分析方法的正確性。同時(shí)，后續(xù)優(yōu)化分析在3#方案的模型上展開(kāi)工作。

通過(guò)對(duì)流場(chǎng)分析，如圖6所示，可以得出空調(diào)系統(tǒng)原方案風(fēng)管存在以下問(wèn)題：

（1）此處風(fēng)管彎角過(guò)大，局部流速過(guò)大，而且出口風(fēng)速分布很不均勻；

（2）此處直角造成風(fēng)管局部渦流；

（3）此處直角造成風(fēng)管局部渦流，并且局部流速偏大；

（4）此處風(fēng)管彎角過(guò)大，造成出風(fēng)口風(fēng)速分布不均勻；

（5）此處彎角過(guò)渡偏大，造成局部流速達(dá)到43.4 m/s，而且局部有渦流。

綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)原方案配氣比不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，主要由于空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)管布置問(wèn)題，直角拐角過(guò)多，風(fēng)管內(nèi)局部渦流過(guò)多，造成右風(fēng)管流阻大，右風(fēng)管配氣比偏小，左風(fēng)管配氣比偏大。

1.3 空調(diào)系統(tǒng)原方案風(fēng)管氣動(dòng)噪聲分析

HVAC系統(tǒng)的風(fēng)噪與風(fēng)道的外形和布置有著直接的關(guān)系，風(fēng)道尺寸與方向的突變以及內(nèi)部局部結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)噪聲有非常大的影響。通過(guò)仿真預(yù)測(cè)某空調(diào)風(fēng)管產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，并通過(guò)結(jié)果處理得到氣動(dòng)噪聲的主要來(lái)源和位置，可以為風(fēng)管外形設(shè)計(jì)提供參考意見(jiàn)。

1.3.1氣動(dòng)噪聲研究理論基礎(chǔ)

氣動(dòng)噪聲是由氣體的非穩(wěn)定過(guò)程，或者說(shuō)是氣體的擾動(dòng)、氣體與物體的相互作用而產(chǎn)生。根據(jù)萊特希爾(Lighthill)流體聲學(xué)理論，流場(chǎng)中的理想化聲源模型可認(rèn)為由三種線性聲學(xué)中的典型聲源-單極子聲源 (Monopole Source)、偶極子聲源(Dipole Source)和四極子聲源(Quadrupole Source)組成。

流場(chǎng)中實(shí)際存在的聲源為以上各種聲源的集合體，其中大部分是偶極子和四極子聲源的集合體。通過(guò)對(duì)以上三種聲源作比較可以發(fā)現(xiàn):單極子、偶極子和四極子的總聲功率分別與流速的四次方、六次方和八次方成正比。由此可見(jiàn)，隨著流速的增大，氣動(dòng)噪聲的聲功率將急劇升高。對(duì)于主要的氣動(dòng)噪聲源，降低該處流速將是最直接的降噪手段。

在汽車空調(diào)系統(tǒng)管道氣動(dòng)噪聲分析中，空調(diào)管道內(nèi)表面可看作是剛性的，所以單極子噪聲可以近似為零，而且空調(diào)風(fēng)管內(nèi)部氣流速度低，四極子聲源遠(yuǎn)小于偶極子聲源，可忽略不計(jì)，因此對(duì)空調(diào)風(fēng)管管道的氣動(dòng)噪聲研究主要是針對(duì)偶極子噪聲源的特性。

1.3.2空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)管氣動(dòng)噪聲分析總體思路

通過(guò)耦合CFD軟件STARCCM+與專業(yè)聲學(xué)軟件LMS Virtual.Lab Acoustic來(lái)求解空調(diào)系統(tǒng)管道氣動(dòng)噪聲。在CFD計(jì)算中，對(duì)空調(diào)管道的瞬態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行求解并輸出偶極子噪聲源項(xiàng)，然后將噪聲的源項(xiàng)導(dǎo)入到LMS Virtual.Lab Acoustic來(lái)計(jì)算噪聲的傳播；應(yīng)用CFD和Virtual.Lab的計(jì)算結(jié)果，對(duì)風(fēng)管設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考意見(jiàn)。具體的仿真流程如圖7所示。

1.3.3氣動(dòng)噪聲分析結(jié)果

在Virtual.Lab進(jìn)行的聲學(xué)計(jì)算中，可以得到的數(shù)據(jù)包括風(fēng)管內(nèi)壁面上的壓力頻譜、聲場(chǎng)云圖以及某些測(cè)點(diǎn)上的聲壓頻譜。我們對(duì)三個(gè)風(fēng)管分別進(jìn)行了計(jì)算，圖8為左風(fēng)管聲場(chǎng)云圖示意圖。對(duì)測(cè)點(diǎn)（駕駛員右耳）上的聲壓頻譜，我們可以將各個(gè)風(fēng)管的貢獻(xiàn)疊加起來(lái)。

最后得到總的頻譜曲線如圖9所示。三個(gè)風(fēng)管疊加后，在測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生峰值的頻率在400 Hz，對(duì)應(yīng)的幅值在60 dB（A）左右。并與試驗(yàn)結(jié)果圖10進(jìn)行對(duì)比表明，在300~400 Hz之間計(jì)算值和試驗(yàn)值峰值是對(duì)應(yīng)的，驗(yàn)證了分析方法有效性。

通過(guò)分析，驗(yàn)證了空調(diào)系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲分析方法的正確性。這樣就可以對(duì)三個(gè)風(fēng)管單獨(dú)的計(jì)算結(jié)果相比較，如圖11~圖13所示。發(fā)現(xiàn)在400 Hz頻率下產(chǎn)生的噪聲主要來(lái)自于左風(fēng)管，這樣就可重點(diǎn)對(duì)左風(fēng)管處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化降低噪聲。

2 優(yōu)化風(fēng)管配氣比及氣動(dòng)噪聲分析與試驗(yàn)

2.1 風(fēng)管優(yōu)化方案說(shuō)明

通過(guò)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)原方案配氣比及氣動(dòng)噪聲分析，確定風(fēng)管優(yōu)化的方向：

（1）改進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少風(fēng)管轉(zhuǎn)彎，保證風(fēng)管內(nèi)部渦流減少，出風(fēng)口風(fēng)速分布均勻；

（2）在保證配氣比滿足要求的情況下，增大右風(fēng)管與中風(fēng)管截面面積。

通過(guò)與車身空調(diào)系統(tǒng)和車身儀表板系統(tǒng)工程師進(jìn)行溝通，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)管做了如圖14所示更改。

優(yōu)化方案主要是對(duì)左、右、中風(fēng)管進(jìn)行管徑增大，對(duì)轉(zhuǎn)彎圓角過(guò)渡加大，并對(duì)中風(fēng)管中間隔板進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得中間風(fēng)管的兩個(gè)出口風(fēng)量盡可能的達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求水平。

2#方案與3#方案不同之處在于，2#方案風(fēng)管局部區(qū)域與儀表板橫梁距離過(guò)近，超過(guò)了設(shè)計(jì)要求，而且在后續(xù)分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)2#方案中風(fēng)管一個(gè)出風(fēng)口風(fēng)量分配達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，所以3#方案對(duì)2#方案進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化，滿足了工藝要求，并對(duì)中風(fēng)管中間隔板進(jìn)行了調(diào)整，使中風(fēng)管兩個(gè)出風(fēng)口風(fēng)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 優(yōu)化方案配氣比分析及試驗(yàn)

按照上節(jié)確立的配氣比分析方法，對(duì)2#及3#優(yōu)化方案進(jìn)行了仿真分析，網(wǎng)格模型劃分以及邊界條件的設(shè)定都與1#原方案的分析保持一致，計(jì)算工況冷風(fēng)吹面（ATF）、內(nèi)循環(huán)、最大風(fēng)量；入口流量為500 kg/h，出口為壓力出口，壓力為0 Pa。

如圖15、16所示，為2#和3#優(yōu)化方案流場(chǎng)分析結(jié)果。從圖中可以看出2#風(fēng)管內(nèi)部最高風(fēng)速由原方案43.4 m/s降低到28.7 m/s，3#風(fēng)管內(nèi)部最高風(fēng)速由原方案43.4m/s降低到30m/s，比2#方案略大，大大降低了風(fēng)管內(nèi)部最高風(fēng)速，有利于氣動(dòng)噪聲的降低。而且從圖中可以看出，通過(guò)優(yōu)化，中風(fēng)管內(nèi)部和右風(fēng)管內(nèi)部的渦流區(qū)域減少，這也有利于氣動(dòng)噪聲的降低。

2#方案較3#方案有局部改動(dòng)，空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)最高流速3#略大于2#方案，3#方案氣動(dòng)噪聲可能大于2#方案。

對(duì)2#、3#優(yōu)化方案的配氣比也進(jìn)行了分析及試驗(yàn)。從圖17和圖18可以看出，2#優(yōu)化方案配氣比較原方案有了很大的改進(jìn)，右中風(fēng)管配氣比比標(biāo)準(zhǔn)要求略微低，而3#優(yōu)化方案滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)仿真與試驗(yàn)的對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了分析方法正確性。

2.3 優(yōu)化方案氣動(dòng)噪聲分析及噪聲試驗(yàn)

2.3.1優(yōu)化方案氣動(dòng)噪聲分析

圖19為優(yōu)化方案與1#原方案噪聲分析對(duì)比，從圖中可以看出3#方案噪聲峰值與2#方案基本一致，較1#方案降低了6 dB左右，效果非常顯著。但是在分析中，由于沒(méi)有考慮空調(diào)風(fēng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等噪聲，效果可能不會(huì)有這么大。

2.3.2優(yōu)化方案整車噪聲試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：測(cè)量主駕駛員、副駕駛員左右耳旁噪聲，各個(gè)風(fēng)口處噪聲（測(cè)點(diǎn)布置于風(fēng)口處，距離風(fēng)口15cm）相關(guān)試驗(yàn)布點(diǎn)如圖20、圖21所示。

試驗(yàn)工況為：發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，空調(diào)制冷，風(fēng)機(jī)開(kāi)，外循環(huán)吹面模式，風(fēng)量最大。

2.3.3噪聲試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)優(yōu)化后噪聲試驗(yàn)結(jié)果與原方案進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，由于優(yōu)化方案管徑變大，轉(zhuǎn)彎彎角加大，減少了風(fēng)管流阻，從而導(dǎo)致系統(tǒng)阻力降低，所以需要調(diào)節(jié)試驗(yàn)（風(fēng)機(jī)電壓）參數(shù)，使得優(yōu)化后方案的空調(diào)風(fēng)量與原方案一致。

對(duì)3種方案在同等風(fēng)量的情況下進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，并對(duì)噪聲進(jìn)行對(duì)比，如圖22所示：

從圖22可以看出，3#優(yōu)化方案噪聲相對(duì)于2#方案略大，比1#原方案降低了3.7dB以上，效果顯著，同時(shí)也驗(yàn)證了氣動(dòng)噪聲分析方法的正確性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某乘用車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行配氣比與氣動(dòng)噪聲分析與試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)數(shù)值計(jì)算的手段，可以對(duì)空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)描述，并對(duì)空調(diào)風(fēng)管氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生與傳播進(jìn)行了闡述，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)配氣比及氣動(dòng)噪聲優(yōu)化提供了指導(dǎo)；

（2）優(yōu)化了空調(diào)系統(tǒng)配氣比及氣動(dòng)噪聲，使得配氣比達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，空調(diào)系統(tǒng)噪聲降低了3.7dB，效果顯著；

（3）通過(guò)該項(xiàng)目，建立了空調(diào)系統(tǒng)配氣比分析及氣動(dòng)噪聲分析方法，并通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)加快設(shè)計(jì)，減少試驗(yàn)次數(shù)和費(fèi)用有很大的意義。

［1］程勉宏，劉剛.汽車空調(diào)風(fēng)道設(shè)計(jì)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響［J］.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，8.

［2］祁照崗，陳江平，胡偉.汽車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)CFD研究與優(yōu)化［J］.汽車工程，2005，1.

［3］R.Ambs，A.Ayar，C.Capellmann etc.Computational Aeroacoustics and the Development of Climate Control Systems[J].VDI－Berichte Nr，2004(1846).