孟祥軍 錢銳 周滋鋒 嚴(yán)鵬 孫建逵

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

在目前汽車空調(diào)設(shè)計(jì)中，應(yīng)使前端進(jìn)風(fēng)阻力盡量小，滿足風(fēng)量的要求，同時(shí)也應(yīng)滿足水管理要求。針對(duì)目前此問(wèn)題的驗(yàn)證，主要的手段是通過(guò)實(shí)車進(jìn)行雨淋實(shí)驗(yàn)和風(fēng)量的測(cè)試，這樣就很難在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)證，導(dǎo)致后期更改難度大、成本高且浪費(fèi)時(shí)間。文章通過(guò)對(duì)某款車型進(jìn)行空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的水管理及相應(yīng)進(jìn)氣阻力分析，在確定排水口的位置及大小的前提下，通過(guò)更改內(nèi)部相應(yīng)零部件的結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)分析得出水管理與進(jìn)風(fēng)阻力之間的相互關(guān)系。

1 模型計(jì)算

1.1 模型簡(jiǎn)化及網(wǎng)格生成

模型簡(jiǎn)化主要關(guān)注5 個(gè)重點(diǎn)零部件：1）前擋風(fēng)玻璃，以最外側(cè)的面為基準(zhǔn)，簡(jiǎn)化為片體，模型在簡(jiǎn)化過(guò)程中不能改變玻璃的曲率；2）進(jìn)氣格柵上的小孔是水管理的重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，簡(jiǎn)化要保證小孔的開(kāi)孔面積；3）雨刮電機(jī)是主要監(jiān)測(cè)的零部件，在簡(jiǎn)化過(guò)程中要保證最外面的輪廓形狀與實(shí)際模型相符，不要有大的改動(dòng)；4）空調(diào)進(jìn)風(fēng)口與支撐板接觸的結(jié)構(gòu)，要保證其精度，此處需要監(jiān)測(cè)液位的高度；5）支撐板上的排水槽液劃分的網(wǎng)格要保證與實(shí)際的數(shù)模一致，這樣可以準(zhǔn)確地判斷水的卸載能力。通過(guò)簡(jiǎn)化，進(jìn)氣格柵上的小孔及相關(guān)零件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

幾何模型簡(jiǎn)化后，再進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，面網(wǎng)格選用三角形非結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于進(jìn)氣格柵有孔的零部件，網(wǎng)格大小為2 mm 左右，其它零部件的網(wǎng)格為5 mm 左右。在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的情況下，使網(wǎng)格數(shù)量盡量少，當(dāng)面網(wǎng)格計(jì)算好后，導(dǎo)入到TGrid 軟件進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格生成采用四面體畫法，最后通過(guò)生成的體網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent 軟件進(jìn)行計(jì)算[1]。

1.2 基本理論

空調(diào)進(jìn)口前端水管理采用瞬態(tài)模擬，計(jì)算采用VOF 多相流模型，計(jì)算中每個(gè)迭代步長(zhǎng)為0.001 s，每個(gè)步長(zhǎng)迭代20 次，計(jì)算20 s，總共需要迭代40 萬(wàn)步，為了更好的加快計(jì)算,采用8 核并行計(jì)算，前端進(jìn)風(fēng)阻力計(jì)算選用湍流模型（k-ε）的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，差分格式采用2 階迎風(fēng)格式，應(yīng)用SIMPLEC 算法進(jìn)行迭代計(jì)算，殘差曲線判定設(shè)為1.0×10-6[2]。

1.3 邊界條件的設(shè)置

進(jìn)口：水管理分析中進(jìn)口采用流量為2.52 L/s 的水延玻璃表面流下，進(jìn)口設(shè)為第二相（水），前端進(jìn)氣阻力分析進(jìn)口為壓力進(jìn)口[3]。

出口：水管理出口設(shè)為壓力出口邊界條件，大小為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101 325 Pa），出口第二相設(shè)為空氣，前端進(jìn)氣阻力模擬分析，以空調(diào)進(jìn)風(fēng)口125 L/s 的空氣吸入空調(diào)內(nèi)進(jìn)行模擬[4]。

2 模擬結(jié)果

2.1 改進(jìn)前進(jìn)風(fēng)阻力與水管理的模擬結(jié)果

當(dāng)進(jìn)風(fēng)口流量為125 L/s 時(shí)，空調(diào)的進(jìn)風(fēng)口流線圖和壓力云圖，如圖2所示。

通過(guò)圖2b 可以得出，從進(jìn)氣格柵到空調(diào)進(jìn)口的壓降為170 Pa，此壓降符合設(shè)計(jì)要求。

前端水管理模擬結(jié)果，如圖3所示。圖3 中，藍(lán)色代表零件處于沒(méi)有浸水的狀態(tài)；紅色代表零件處于完全浸水的狀態(tài)；藍(lán)色和紅色之間代表有部分水會(huì)浸入到零件上。

通過(guò)圖3 可以看出，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口沒(méi)有進(jìn)水，電機(jī)表面有水，其原因是水漫過(guò)擋板流到電機(jī)表面上，電機(jī)表面長(zhǎng)時(shí)間有水會(huì)導(dǎo)致電機(jī)失效，因此此水管理設(shè)計(jì)有待改進(jìn)，改進(jìn)方案1 為：將擋板的高度增加10 mm。

2.2 擋板高度增加10 mm后進(jìn)氣阻力與水管理的模擬結(jié)果

當(dāng)擋板高度增加10 mm 后，空調(diào)進(jìn)氣阻力模擬的速度流線圖及壓力云圖，如圖4所示。

通過(guò)圖4 可以得出，此狀態(tài)下外界到空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的壓降為212 Pa，進(jìn)口壓降相對(duì)于原來(lái)的（170 Pa）略有增加，此壓力滿足設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)要求前端空調(diào)進(jìn)氣的壓降要小于235 Pa）。

前端水管理的模擬結(jié)果，如圖5所示。圖5 中，藍(lán)色代表零件處于沒(méi)有浸水的狀態(tài)；紅色代表零件處于完全浸水的狀態(tài)；藍(lán)色和紅色之間代表有部分水會(huì)浸入到零件上。

通過(guò)圖5 可以看出，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口沒(méi)有進(jìn)水，電機(jī)表面沒(méi)有進(jìn)水（此狀態(tài)下水恰好沒(méi)有漫過(guò)擋板，但沒(méi)有設(shè)計(jì)余量），此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水管理符合設(shè)計(jì)要求。為了使電機(jī)更加有保證性，有一定的余量，改進(jìn)方案2 為：將擋板的高度增加18 mm。

2.3 擋板高度增加18 mm后進(jìn)氣阻力與水管理的模擬結(jié)果

當(dāng)擋板增加18 mm 后，空調(diào)進(jìn)氣阻力模擬的速度流線圖及壓力云圖，如圖6所示。

通過(guò)圖6 可以得出，此狀態(tài)下，從外界到空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的壓降為253 Pa，進(jìn)口壓降隨著擋板高度的增加繼續(xù)增大，此壓力不滿足設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)要求前端空調(diào)進(jìn)氣的壓降要小于235 Pa）。

前端水管理的模擬結(jié)果，如圖7所示。圖7 中，藍(lán)色代表零件處于沒(méi)有浸水的狀態(tài)；紅色代表零件處于完全浸水的狀態(tài)；藍(lán)色和紅色之間代表有部分水會(huì)浸入到零件上。

通過(guò)圖7 可以看出，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口沒(méi)有進(jìn)水，電機(jī)表面沒(méi)有進(jìn)水（此狀態(tài)下水未漫過(guò)擋板并且有一定的設(shè)計(jì)余量），此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水管理符合設(shè)計(jì)要求，水管理狀態(tài)表現(xiàn)比較好。

2.4 結(jié)果分析

通過(guò)分析結(jié)果可以看出，未更改結(jié)構(gòu)下空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的阻力為170 Pa，水管理不滿足要求，狀態(tài)評(píng)價(jià)為差；當(dāng)擋板高度增加10 mm 后，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的阻力為212 Pa，水管理滿足要求，但沒(méi)有設(shè)計(jì)余量，水管理的狀態(tài)評(píng)價(jià)為中；當(dāng)擋板高度增加到18 mm 后，空調(diào)進(jìn)風(fēng)阻力為253 Pa（設(shè)計(jì)值應(yīng)小于235 Pa，空調(diào)進(jìn)風(fēng)阻力已超過(guò)了設(shè)計(jì)值得要求），進(jìn)氣阻力不符合設(shè)計(jì)要求，水管理由于存在設(shè)計(jì)余量，符合設(shè)計(jì)要求，水管理狀態(tài)評(píng)價(jià)為好。

對(duì)于上文分析的3 種情況，在工程方面一般會(huì)選擇方案1，即擋板增加10 mm，這樣才能保證滿足水管理的同時(shí)，盡量使進(jìn)氣阻力較小。

3 結(jié)論

通過(guò)更改擋板的結(jié)構(gòu)可以看出，隨著擋板高度的增高，水管理狀態(tài)越來(lái)越好，但空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的阻力越來(lái)越大，進(jìn)氣阻力狀態(tài)卻越來(lái)越差，由此可以得出，水管理與空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的阻力存在相互制約的關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)方面，要考慮兩者的均衡性，如果在設(shè)計(jì)中只考慮一方面，必會(huì)造成另一方面相對(duì)較差，所以設(shè)計(jì)上要反復(fù)驗(yàn)證，找到最佳的狀態(tài)點(diǎn)，在此分析結(jié)果中方案2 相對(duì)比較好，在滿足水管理的同時(shí)也盡量使進(jìn)氣阻力較小。