楊潤(rùn)澤，安正順

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

某汽車(chē)空調(diào)暖風(fēng)風(fēng)道的CFD仿真和優(yōu)化

楊潤(rùn)澤，安正順

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

針對(duì)某微型面包車(chē)空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)量小，出風(fēng)溫度不均勻的現(xiàn)象開(kāi)展了研究，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)暖風(fēng)風(fēng)道內(nèi)部的三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和換熱情況進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，通過(guò)調(diào)整風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及擾流板尺寸、形狀和位置設(shè)計(jì)了優(yōu)化方案，并進(jìn)行了CFD仿真。結(jié)果表明：將擾流板位置向下平移15mm的方案為最優(yōu)方案，該方案的風(fēng)阻較原設(shè)計(jì)下降了4.5%，出口溫度的標(biāo)準(zhǔn)差降低了17.8%，風(fēng)道出風(fēng)溫度的均勻性得到了顯著改善。

汽車(chē)空調(diào)；暖風(fēng)風(fēng)道；Fluent；數(shù)值模擬；優(yōu)化

汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)采用人工制冷、采暖、通風(fēng)等方法，調(diào)節(jié)車(chē)室內(nèi)的溫度、濕度、氣流速度和空氣潔凈度等參數(shù)指標(biāo)，從而為人們創(chuàng)造清新舒適的乘車(chē)環(huán)境。汽車(chē)空調(diào)暖風(fēng)風(fēng)道作為汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的一部分，風(fēng)道出風(fēng)的風(fēng)速和溫度分布、風(fēng)口位置直接影響乘員的舒適性，風(fēng)道的布置走向、占用空間以及流動(dòng)阻力等會(huì)影響空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車(chē)空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)作了大量的研究。文獻(xiàn)［1］對(duì)某型轎車(chē)的HVAC及風(fēng)道進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)HVAC及風(fēng)道內(nèi)部的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的CFD分析，考察HVAC的結(jié)構(gòu)是否合理，空氣流過(guò)時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生偏流或渦旋等不利現(xiàn)象，分析風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)量分配和送風(fēng)量的影響，并提出優(yōu)化方向。文獻(xiàn)［2］建立了某車(chē)型汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)的三維數(shù)學(xué)模型，利用Fluent進(jìn)行模擬，得到了風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)量大小和風(fēng)量的分配情況，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行了比較；還分析了風(fēng)道出口掃風(fēng)情況，提出了解決方案。文獻(xiàn)［3］利用CFD方法對(duì)某型汽車(chē)空調(diào)的風(fēng)道進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了風(fēng)道整體的速度場(chǎng)、壓力分布以及各出風(fēng)口的風(fēng)量分配；對(duì)中、側(cè)風(fēng)道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得風(fēng)量分配更加均勻，減少風(fēng)量損失。文獻(xiàn)［4］對(duì)某汽車(chē)空調(diào)箱及風(fēng)道在吹面、吹腳、除霜模式下進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算得到了3種模式下的速度和壓力分布；通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分析，可以驗(yàn)證HVAC的結(jié)構(gòu)是否合理，空調(diào)箱內(nèi)是否有渦流，繞流等現(xiàn)象；通過(guò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以得到適當(dāng)?shù)乃俣戎岛徒档驮肼?，并分析風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)量分配和送風(fēng)量的影響。文獻(xiàn)［5］在運(yùn)用Fluent軟件模擬某轎車(chē)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)在暖風(fēng)芯體與后吹臉風(fēng)道出風(fēng)口處增設(shè)風(fēng)門(mén)的方式，改善了風(fēng)道及車(chē)室內(nèi)的氣流組織，有效解決了車(chē)室內(nèi)前后排溫差問(wèn)題。當(dāng)前對(duì)汽車(chē)空調(diào)及HVAC系統(tǒng)風(fēng)道的研究多集中于送風(fēng)量大小以及風(fēng)量分配等問(wèn)題，但暖風(fēng)風(fēng)道涉及冷熱流體的熱交換，出風(fēng)溫度的均勻性也是一個(gè)非常重要的舒適性指標(biāo)。

1 仿真模型建立及結(jié)果分析

1.1 模型建立

1）物理模型

圖1是暖風(fēng)風(fēng)道示意圖，空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)，加熱器冷熱空氣混合流出，由于吹腳模式對(duì)出風(fēng)溫度的均勻性主觀感受不明顯，本文中只考慮吹面模式，簡(jiǎn)化暖風(fēng)風(fēng)道物理模型為2個(gè)入口（冷空氣入口和熱空氣入口）、1個(gè)出口（吹面出口）。

圖1 暖風(fēng)風(fēng)道物理模型

2）網(wǎng)格劃分

由于模型較為復(fù)雜，網(wǎng)格劃分方式選擇自動(dòng)劃分，整體采用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)總計(jì)29843，單元數(shù)總計(jì)210058，如圖2所示。

3）空氣物性參數(shù)

假定空氣為不可壓縮常物性，空氣物性參數(shù)如表1所示。

圖2 暖風(fēng)風(fēng)道網(wǎng)格模型

表1 空氣物性參數(shù)

4）邊界條件及數(shù)值方法

熱空氣入口速度為1m·s-1，溫度為50℃；冷空氣入口速度為1m·s-1，溫度為10℃；出口為壓力出口。計(jì)算域模型中未加說(shuō)明的面均為絕熱壁面。

計(jì)算在Ansys Fluent軟件中進(jìn)行，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，空間離散采用2階迎風(fēng)差分格式，壓力和速度的耦合采用Simple算法。計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)性方程1.0×10-3、動(dòng)量方程1.0× 10-3、能量方程1.0×10-6。

1.2 仿真結(jié)果分析

圖3為暖風(fēng)風(fēng)道中性截面上的溫度和靜壓分布云圖，顯示了冷熱空氣從入口到出口混合過(guò)程中的壓力和溫度變化情況。圖4為暖風(fēng)風(fēng)道中性截面上的流線圖，可以看出：冷熱空氣在風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中擾動(dòng)不夠，冷熱流體沒(méi)有有效地?fù)交?。圖5為暖風(fēng)風(fēng)道出口溫度分布云圖，表明出口最高溫度與最低溫度分別位于出口左右兩端，此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，暖風(fēng)風(fēng)道的CFD仿真結(jié)果基本合理。

圖3 風(fēng)道中性截面溫度和靜壓分布云圖

圖4 風(fēng)道中性截面流線圖

圖5 風(fēng)道出口溫度云圖

2 優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于暖風(fēng)風(fēng)道模型數(shù)值模擬只考慮出風(fēng)口的風(fēng)量和出風(fēng)均勻性，所以可以用冷空氣和熱空氣的壓力損失、入口出口平均壓力損失來(lái)評(píng)價(jià)出風(fēng)口風(fēng)量以及出口溫度標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)價(jià)出風(fēng)均勻性。

冷空氣壓力損失：

熱空氣壓力損失：

入口出口平均壓力損失：

出口溫度最大溫差：

出口溫度標(biāo)準(zhǔn)差STD：

式中：pin,cold為冷空氣入口壓力；pin,hot為熱空氣入口壓力；pout為出口壓力；Δp1為冷空氣壓力損失；Δp2為熱空氣壓力損失；Δp為入口出口平均壓力損失；ΔT為出口最大溫差；Tmax為出口最大溫度；Tmin為出口最小溫度；σT為出口溫度標(biāo)準(zhǔn)差；Ti,out為出口第i個(gè)節(jié)點(diǎn)上的溫度；為出口平均溫度；N為出口節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。原風(fēng)道模型即

2.2 優(yōu)化方案1

擾流板尺寸不變，在擾流板上開(kāi)孔，示意圖如圖6所示，分為4種子方案：1）孔開(kāi)在擾流板中心，孔直徑為14mm；2）孔開(kāi)在擾流板左側(cè)，孔直徑為14mm；3）孔開(kāi)在擾流板中心，孔直徑為20mm；4）以擾流板中心為基準(zhǔn)，陣列3個(gè)等大的孔，孔直徑為10mm。優(yōu)化方案1中4種子方案數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如表2所示。

圖6 優(yōu)化方案1示意圖

表2 優(yōu)化方案1數(shù)值模擬結(jié)果

2.3 優(yōu)化方案2

擾流板尺寸不變、遠(yuǎn)離風(fēng)門(mén)進(jìn)口向下移動(dòng)示意圖如圖7所示，分為3種子方案：1）擾流板向下移動(dòng)10mm；2）擾流板向下移動(dòng)15mm；3）擾流板向下移動(dòng)20mm。優(yōu)化方案2中3種子方案的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如表3所示。

圖7 優(yōu)化方案2示意圖

表3 優(yōu)化方案2數(shù)值模擬結(jié)果

2.4 優(yōu)化方案3

改變擾流板的位置，同時(shí)在擾流板上打孔，設(shè)計(jì)2種子方案：1）擾流板向下（遠(yuǎn)離風(fēng)門(mén)進(jìn)口）移動(dòng)10mm，同時(shí)在擾流板中心打一直徑為10mm的孔，如圖8 a所示；2）擾流板向下（遠(yuǎn)離風(fēng)門(mén)進(jìn)口）移動(dòng)10mm，同時(shí)在擾流板中心打一直徑為20mm的孔，如圖8 b所示。2種子方案數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如表4所示。

圖8 優(yōu)化方案3示意圖

表4 優(yōu)化方案3數(shù)值模擬結(jié)果

2.5 優(yōu)化方案4

在熱空氣進(jìn)口風(fēng)道內(nèi)添加新的擾流板：1）在熱空氣進(jìn)口風(fēng)道一側(cè)面加的擾流板尺寸為60mm× 50mm×1.25mm，如圖9 a所示；2）在子方案1的基礎(chǔ)上對(duì)擾流板打一直徑為15mm的孔，如圖9 b所示。2種子方案數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。

圖9 優(yōu)化方案4示意圖

表5 優(yōu)化方案4數(shù)值模擬結(jié)果

所有方案計(jì)算結(jié)果的權(quán)衡圖見(jiàn)圖10：越靠近左下角的點(diǎn)風(fēng)阻越小，出口溫度越均勻，顯然優(yōu)化方案2中子方案2相較其他方案有最好的出風(fēng)溫度均勻性，而且流道風(fēng)阻也有較大程度的改善。

圖10 優(yōu)化方案權(quán)衡圖

3 結(jié)論

本文中建立了某微型面包車(chē)空調(diào)系統(tǒng)暖風(fēng)風(fēng)道模型，使用Fluent軟件對(duì)風(fēng)道內(nèi)部的流動(dòng)和換熱情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)分析風(fēng)道內(nèi)部及出口的壓力、溫度分布情況，驗(yàn)證CFD仿真模型的正確性。通過(guò)改變擾流板的尺寸、位置、形狀設(shè)計(jì)了優(yōu)化方案，并對(duì)優(yōu)化前后風(fēng)道壓力損失以及出風(fēng)溫度均勻性進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：將擾流板的位置向下平移15mm的方案可以顯著改善風(fēng)道內(nèi)部流動(dòng)情況以及出風(fēng)溫度均勻性，該方案較原設(shè)計(jì)的風(fēng)阻降低4.5%，出口溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低17.8%。

［1］吳金玉，陳江平.汽車(chē)空調(diào)蒸發(fā)器總成及風(fēng)道的數(shù)值研究［J］.流體機(jī)械，2008，36（7）：59-62.

［2］王瓊.汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)情況的CFD分析與優(yōu)化［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2011，312（18）：31-33.

［3］陳楊華，馮英.某型汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道的CFD數(shù)值模擬計(jì)算應(yīng)用［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（理科版），2012，36（3）：282-285.

［4］賈傳林，歐陽(yáng)新萍.汽車(chē)空調(diào)箱優(yōu)化設(shè)計(jì)及風(fēng)道風(fēng)量均勻性研究［C］.中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2009.

［5］嚴(yán)運(yùn)兵，丁明亮，劉穎星，等.轎車(chē)空調(diào)風(fēng)道溫度場(chǎng)特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2015,37（18）：61-65.

CFD Simulation and Optimization of Heating Duct for an Automobile Air Conditioning

Yang Runze,An Zhengshun
（School of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

The problem of small flow rate and outlet air temperature ununiformity in a minivan air condi?tioning system was investigated.The interior 3D steady flow and heat transfer of the heating duct were analyzed by numerical simulation software Fluent.By adjusting the internal structure and spoiler size, shape and location,the optimization schemes were designed and analyzed by CFD.The results show the scheme moving spoiler down 15mm is the best solution among the optimization schemes,the pressure drop of the optimized heating duct decreases by 4.5%than the original design;the standard deviation of the outlet temperature reduces by 17.8%.The outlet air temperature uniformity is significantly improved.

automobile air conditioning;heating duct;Fluent;numerical simulation;optimization

U463.85+1

：A

：1008-5483（2016）04-0001-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.04.001

2016-07-05

楊潤(rùn)澤（1985-），男，湖北十堰人，碩士，從事強(qiáng)化傳熱和流動(dòng)方面的研究。E-mail：yrunze@qq.com