劉迎林，張有忱，秦 柳，虞華春，楊衛(wèi)民

LIU Ying-lin1～3, ZHANG You-chen1～3, QIN Liu1～3, YU Hua-chun2,3, YANG Wei-min1～3

（1.北京化工大學(xué)，北京 100029；2.寧波格林美孚新材料有限公司，寧波 315300；3.汽車塑化裝備制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

0 引言

隨著高分子成型工藝以及設(shè)備科學(xué)水平的不斷提升，幾年來非金屬汽車車身工藝得到了快速發(fā)展[1]。非金屬車身主體材料以復(fù)合材料、工程塑料為主。將高分子材料的加工工藝應(yīng)用于車身制造中，可以大大減輕車身整體重量，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的需求，但同時(shí)也對(duì)零配件的可靠性提出了更高的要求：需要在滿足基本使用性能的前提下適應(yīng)全塑車身的特有屬性，比如傳熱、隔聲以及振動(dòng)特性[2,3]。相比于傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)，全塑車身空調(diào)裝置有以下特點(diǎn)：

1）非金屬材料導(dǎo)熱能力較差，不容易與外界環(huán)境進(jìn)行能量傳遞。

2）金屬車殼與零部件通過嵌件形式連接，為了滿足功能需求，有些嵌件形狀比較復(fù)雜，也就導(dǎo)致了汽車儀表板下方的空間更加狹窄，這就對(duì)空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)的排布有更嚴(yán)格的要求。

本文利用CFD工具，對(duì)已有空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道內(nèi)部的流體流動(dòng)特性進(jìn)行了分析，并針對(duì)現(xiàn)有儀表板下方空間結(jié)構(gòu)，在保證其他零部件不受影響的前提下對(duì)風(fēng)道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)其他全塑車身空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)的排布和安裝有一定的借鑒意義[4～15]。

1 物理模型

圖1所示物理模型根據(jù)原有轎車風(fēng)道尺寸設(shè)計(jì)而成，未做任何調(diào)整，出風(fēng)口主要材料為聚碳酸酯，中間波紋軟管主要材料為聚乙烯。入風(fēng)口為一分四風(fēng)機(jī)入口，出風(fēng)口1和出風(fēng)口2為除霧除霜出口，其余為吹面出口。吹面出風(fēng)口主要由中央出風(fēng)口3、4以及駕駛員側(cè)出風(fēng)口5、副駕駛員側(cè)出風(fēng)口6組成。為了驗(yàn)證各個(gè)出風(fēng)口處的流量分布，將本模型進(jìn)行簡化，主要簡化位置為暖風(fēng)機(jī)出口位置，這樣可以更加直觀的檢測(cè)流量分布情況以及管道對(duì)流量的影響。

圖1 物理模型

2 數(shù)學(xué)描述及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

為簡化模型，在計(jì)算區(qū)域忽略重力作用，并假設(shè)流體在管道中為定常流。模型中空氣在風(fēng)道中的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，湍流會(huì)使流體介質(zhì)之間相互交換動(dòng)量、質(zhì)量和能量，并且變化是小尺度高頻率的，計(jì)算采用湍流模型，其中K表示湍流脈動(dòng)，表示湍流耗散率。

根據(jù)(1)、(2)方程可求解出湍流粘性方程：

2.2 邊界條件

實(shí)驗(yàn)采用汽車空調(diào)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用超力蒸發(fā)器、三電冷凝器，具體輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 初始條件實(shí)驗(yàn)測(cè)量

進(jìn)口邊界條件為速度入口1m/s，出口邊界條件為壓力出口，背壓為零。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 原有結(jié)構(gòu)的CFD分析

對(duì)原有模型分析結(jié)果進(jìn)行切片處理，可得到截面速度等值圖。其中除霧除霜出口1、2位置的切片速度等值圖如圖2所示。

圖2 出口1、2處的速度等值圖，左側(cè)為出口1，右側(cè)為出口2

從圖2可以看出出風(fēng)口1與出風(fēng)口2，也就是除霧除霜出口的出風(fēng)位置都集中在中央位置，并且出風(fēng)口1相較出風(fēng)口2的風(fēng)量明顯要高，這二者的通道處只提供了很少的風(fēng)量給出風(fēng)口2。

圖3 出風(fēng)口3、4位置分岔口位置速度等值線

圖3 為出風(fēng)口3、4附近的速度等值圖，在中央吹面出口附近，也就是出口附近的分叉位置處有局部渦流，最高風(fēng)速在0.4m/s左右。根據(jù)截面半徑信息，該出風(fēng)口總出風(fēng)量在以下。

六個(gè)出風(fēng)口流量統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 原始風(fēng)道出風(fēng)量分配

根據(jù)表2中原始風(fēng)道系統(tǒng)中各個(gè)出風(fēng)口的出風(fēng)量分配可以看出以下問題：

1）出風(fēng)口1、2的風(fēng)量分配不合理，出風(fēng)口1占了二者總和的2/3的風(fēng)量，需要改進(jìn)。

2）根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論：駕駛員側(cè)風(fēng)量應(yīng)高于副駕駛員側(cè)風(fēng)量，中央吹面風(fēng)量應(yīng)高于兩側(cè)吹面風(fēng)量。出風(fēng)口3、4為中央吹面口，5、6為兩端吹面口，兩個(gè)中央吹面風(fēng)量應(yīng)占總吹面風(fēng)量的55%以上，本例中中央吹面風(fēng)量僅占34%，需要重新調(diào)整風(fēng)道布置。

3.2 風(fēng)道CFD優(yōu)化一

對(duì)風(fēng)道風(fēng)速流場(chǎng)主截面進(jìn)行切片處理可以看出：分岔口的位置不合理，導(dǎo)致空氣從下面暖風(fēng)機(jī)出來后，向左側(cè)出風(fēng)口1處分布的風(fēng)量較多。將風(fēng)道位置進(jìn)行如圖4所示的優(yōu)化。

圖4 除霧除霜風(fēng)道優(yōu)化前后模型，其中：上為結(jié)構(gòu)優(yōu)化以前，下側(cè)為優(yōu)化后

將除霧除霜風(fēng)道按照?qǐng)D4所示優(yōu)化后再進(jìn)行分析，得出的風(fēng)量分配結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化一風(fēng)道出風(fēng)量分配

由表3中原始風(fēng)道系統(tǒng)中各個(gè)出風(fēng)口的出風(fēng)量分配可以得出以下結(jié)論：

1）出風(fēng)口1與出風(fēng)口2出風(fēng)量大致相等，但是與原始模型相比總風(fēng)量降低，總風(fēng)量較優(yōu)化前降低了39%。

2）總風(fēng)量與優(yōu)化前一致，出風(fēng)口5、6處的風(fēng)量比之優(yōu)化前增加了23%，出風(fēng)口3、4風(fēng)量較優(yōu)化前增加16%。

優(yōu)化后的除霧除霜風(fēng)道雖然在兩個(gè)出風(fēng)口處出風(fēng)量一致了，但是總體的風(fēng)量降低會(huì)導(dǎo)致除霧除霜試驗(yàn)的失敗，因此，出風(fēng)口位置總風(fēng)量不能降低。

可以看出優(yōu)化一結(jié)構(gòu)相較優(yōu)化前結(jié)構(gòu)增加了除霧除霜風(fēng)道的復(fù)雜程度，流體在風(fēng)道中增加了一處彎角的位置，使得整體管道阻力面積增加，且局部會(huì)產(chǎn)生渦流，最終導(dǎo)致整體出風(fēng)量的減少。

3.3 風(fēng)道CFD優(yōu)化二

為了減少除霧除霜風(fēng)道的復(fù)雜程度，從入風(fēng)口增加一個(gè)分流機(jī)構(gòu)，將整體模型管路進(jìn)行重新優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 入風(fēng)口分流結(jié)構(gòu)圖，左側(cè)為優(yōu)化前，右側(cè)為優(yōu)化后，其中：A優(yōu)化前入口、B優(yōu)化后入口、C優(yōu)化前除霧除霜出口、D優(yōu)化后除霧除霜出口、E優(yōu)化前總風(fēng)道形狀、F優(yōu)化后總風(fēng)道形狀、G優(yōu)化前整體結(jié)構(gòu)、H優(yōu)化后整體結(jié)構(gòu)

圖5 所示結(jié)構(gòu)的優(yōu)化情況如下：

1）將原有4個(gè)出風(fēng)改為5個(gè)出風(fēng)管路。

2）原有除霧除霜出口從兩個(gè)入口管接出。

3）中央吹面出風(fēng)口共用一個(gè)入風(fēng)口，兩側(cè)吹面出風(fēng)口各占一個(gè)入風(fēng)口。

初始條件不變，重新分析后結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后速度等值圖，左側(cè)為主截面速度，右側(cè)為橫截面速度分布

速度分布統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 優(yōu)化二風(fēng)道出風(fēng)量分配

根據(jù)優(yōu)化二結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）出風(fēng)口1與出風(fēng)口2出風(fēng)量相差不大，且整體出風(fēng)量增加了20%。

2）中央出風(fēng)口較優(yōu)化前增加風(fēng)量34%，側(cè)吹面出風(fēng)口較優(yōu)化前減少了34%，整體吹面風(fēng)量中，中央吹面風(fēng)量占總風(fēng)量的52%，駕駛員側(cè)的吹面總出風(fēng)量為2.08 m3/h，副駕駛員側(cè)總吹面風(fēng)量為2.03m3/h，可滿足基本使用要求。

4 結(jié)論

通過建立湍流模型，對(duì)整個(gè)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，并對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過結(jié)果對(duì)比可以得出以下結(jié)論：

1）三種方案的總出風(fēng)量一定，通過軟件模擬可以對(duì)風(fēng)量分配提前預(yù)測(cè)，得出優(yōu)化方案，在風(fēng)道模具開發(fā)之前對(duì)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)調(diào)整有著指導(dǎo)作用。

2）優(yōu)化二的除霧除霜出口風(fēng)量分配一致，且中央吹面風(fēng)量以及兩側(cè)吹面風(fēng)量分配也同樣滿足要求，因此最終采用優(yōu)化二中的風(fēng)道結(jié)構(gòu)。

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