王丹 劉雙喜 牟江峰 張傳文

（1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國汽車技術(shù)研究中心汽車工程院；3.山東省菏澤市規(guī)劃建筑設(shè)計院）

在汽車空調(diào)系統(tǒng)中，空調(diào)風(fēng)道分配空氣流量，改變氣流方向，并使其以一定速度在乘員艙內(nèi)定向流動，其送風(fēng)能力的好壞直接影響乘員艙內(nèi)空氣的溫度分布和速度分布，從而影響乘車的舒適性[1-2]。在進(jìn)行汽車空調(diào)風(fēng)道設(shè)計時，應(yīng)盡量減少壓力損失和噪聲，合理組織氣流分配，管道內(nèi)部應(yīng)光滑，轉(zhuǎn)彎處應(yīng)圓滑，盡量避免急轉(zhuǎn)彎，同時盡可能地做到結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，并與周邊部件協(xié)調(diào)一致[3-4]。CFD 計算能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成品，且能夠提供全面準(zhǔn)確的信息[5]。文章利用CFD軟件對某汽車空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行了仿真計算，對進(jìn)行汽車空調(diào)風(fēng)道設(shè)計時應(yīng)遵循和考慮的主要要素進(jìn)行了重點(diǎn)分析，從而為風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 CFD模型及計算方法

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

圖1 和圖2 分別示出汽車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格模型。汽車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)主要有暖通空調(diào)（HVAC）、空調(diào)風(fēng)道以及出風(fēng)口。HVAC 采用全制冷模式，內(nèi)部沒有暖風(fēng)芯體和蒸發(fā)器芯體；空調(diào)風(fēng)道采用吹面風(fēng)道，模型簡化了風(fēng)口模型；出風(fēng)口采用擴(kuò)散作用較小的漸擴(kuò)管，從而降低出風(fēng)口的出口流速，減小局部阻力系數(shù)。

本次計算中，利用有限元分析軟件Hypermesh 抽取空調(diào)管道系統(tǒng)內(nèi)表面，進(jìn)行幾何清理和面網(wǎng)格劃分。然后導(dǎo)入三維仿真軟件STAR-CCM+中，劃分體網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件和初始條件，運(yùn)行計算并進(jìn)行結(jié)果分析。該空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)的體網(wǎng)格為Trim 網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為58×104個。

1.2 數(shù)學(xué)模型

計算介質(zhì)為空氣，體積質(zhì)量取值1.184 kg/m3，粘度1.86×10-5Pa/s。流動為不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動，不考慮溫度和壓力的影響。模型中，壓力和速度的耦合采用SIMPLE 方法，湍流模型采用realizable k-ε 湍流模型，臨近壁面的區(qū)域采用All y+壁面函數(shù)?？照{(diào)風(fēng)道系統(tǒng)的入口為質(zhì)量流動進(jìn)口，質(zhì)量流量為0.103 kg/s，入口截面上空氣流速均勻分布，垂直于邊界。出口為壓力出口，出口背壓為0。

2 計算結(jié)果分析

出風(fēng)口的風(fēng)量分配是評價風(fēng)道是否有效工作的一個重要指標(biāo)。在實(shí)際的汽車空調(diào)風(fēng)道設(shè)計中，中間風(fēng)道主要提供后排座位的風(fēng)量，側(cè)風(fēng)道提供主副駕駛座位的風(fēng)量[6]。圖3 示出空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)口流量的比例分配。從圖3 中可以看出，空調(diào)風(fēng)道分風(fēng)合理，中間出風(fēng)口風(fēng)量大些，兩側(cè)出風(fēng)相對小些，且駕駛員側(cè)的風(fēng)量（出風(fēng)口C 和D）比例比副駕駛一側(cè)（出風(fēng)口A 和B）稍大。

對于吹面風(fēng)口來說，一方面要使車廂內(nèi)的空氣盡快冷卻或者溫暖起來，這就要求出風(fēng)口出風(fēng)速度越大越好；另一方面要使長期身處乘員艙內(nèi)的人們感到舒適，所以風(fēng)速不能太高，以免產(chǎn)生噪聲污染和引起體感不適[7]。一般來說，出風(fēng)口出風(fēng)速度在7.5～10.5 m/s 比較適中。圖4 示出空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)口相對速度。從圖4 中可以看出，4 個出風(fēng)口的風(fēng)速值在舒適區(qū)間內(nèi)；中間風(fēng)道的出風(fēng)口B 和C 速度分布均勻，2 個風(fēng)口的最大速度值相當(dāng)，略小于兩側(cè)出風(fēng)口A 和D 的最大速度值；兩側(cè)出風(fēng)口的速度分布均勻性不好。

圖5 示出汽車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)的速度跡線圖，圖6示出汽車空調(diào)風(fēng)道截面的速度矢量圖。從圖5 和圖6可以看出，在空調(diào)風(fēng)道流場內(nèi)，沒有渦流產(chǎn)生，流通性能好，最大限度地降低了因渦流造成的能量損失。

圖7 和圖8 分別示出空調(diào)風(fēng)道表面的壓力分布圖和速度分布圖。從圖7 和圖8 可以看出，在風(fēng)道轉(zhuǎn)角處，由于風(fēng)道流通截面突然變小，速度增加，形成低壓區(qū)，壓力損失增大。4 組出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口的壓差均約為100 Pa。在風(fēng)道設(shè)計中，應(yīng)盡量減少風(fēng)道管徑變化，平滑風(fēng)道轉(zhuǎn)彎，減少高低壓區(qū)的存在，降低空調(diào)風(fēng)管的壓力損失。

3 結(jié)論

該汽車空調(diào)風(fēng)道分風(fēng)合理，滿足設(shè)計要求。風(fēng)道出風(fēng)口相對速度適中，兩側(cè)出風(fēng)口的速度分布均勻性稍差。在風(fēng)道流場內(nèi)，沒有渦流產(chǎn)生，減小風(fēng)道壓力損失。在風(fēng)道轉(zhuǎn)彎處，出現(xiàn)高速區(qū)和低壓區(qū)，因此在和周圍部件裝配合理的情況下，建議風(fēng)管圓滑過渡，盡量避免形狀突變或出現(xiàn)拐角。