溫敏，任平

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

隨著汽車的應(yīng)用普及和汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對汽車的駕乘體驗要求也越來越高。相應(yīng)的，汽車制造商從對汽車產(chǎn)品的耐久可靠性和安全性等傳統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的單一追求逐步向駕乘舒適性、智能網(wǎng)聯(lián)等新技術(shù)指標(biāo)與傳統(tǒng)指標(biāo)相結(jié)合轉(zhuǎn)移，本文所述的空調(diào)取暖性能已成為舒適度評價的重要指標(biāo)之一。

本文以某款車型吹腳風(fēng)道設(shè)計為例，利用CFD 軟件和假人模型，對汽車空調(diào)吹腳風(fēng)道的風(fēng)速、風(fēng)量，及駕駛員腳部感知的壓力分布進行合理化分析和設(shè)計改進。

1 吹腳風(fēng)道概述

吹腳風(fēng)道作為空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道重要組成部分，以往行業(yè)內(nèi)設(shè)計關(guān)注較少，易造成駕乘人員左右腳感知溫度不均、風(fēng)量分配不合理[1]。在中國北方地區(qū)冬季時，車外溫度甚至低至-40℃，易造成腳部區(qū)域“凍腳”/“左右腳冰火兩重天”等主觀感受，吹腳風(fēng)道取暖設(shè)計的合理性凸顯得尤為重要。

吹腳的風(fēng)道布置通常分為不帶后排吹腳/帶后排吹腳兩個方式，如圖1 所示，取決于該車型的平臺定位和成本定位。有多個風(fēng)道和風(fēng)口時，截面積按照一定的比例進行分配，不同的汽車廠家有不同的分配標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 空調(diào)吹腳風(fēng)道和風(fēng)口的常見布置

前排吹腳風(fēng)道因布置空間受限，風(fēng)道通常是集成在空調(diào)主機上，后排則通過一段較長的風(fēng)道集成在地板上，到達后排乘客腳部區(qū)。風(fēng)道在設(shè)計中要注意幾項基本的設(shè)計原則，如風(fēng)道截面避免突變、出風(fēng)口風(fēng)速均勻等。

本文研究的車型空調(diào)吹腳為帶后排吹腳設(shè)置，如圖2 所示，前排后排各兩個出風(fēng)口，此次考察駕駛員舒適性，對駕駛員側(cè)風(fēng)道進行重點分析研究。因空調(diào)主機與前排風(fēng)口相對距離較近，周邊布局緊湊，故駕駛側(cè)吹腳風(fēng)口布置在駕駛員右腳的右側(cè)，集成在副儀表臺上。吹腳風(fēng)口呈梯形，設(shè)計高度70mm，寬度27-49mm 漸變，一段長22.5mm 的格柵段連接空調(diào)主機出口和吹腳風(fēng)口，5 片格柵間距10mm。如圖3 所示。本文從舒適性角度分析駕駛員側(cè)取暖風(fēng)道設(shè)計的合理性。

圖2 本車型吹腳風(fēng)口的布置示意圖

圖3 本車型駕駛員側(cè)吹腳風(fēng)道的設(shè)計尺寸圖

2 計算流程

圖4 計算流程圖

計算流程包括設(shè)計數(shù)模處理、網(wǎng)格劃分、建立CFD 有限元模型、定義邊界參數(shù)、求解分析、方案改進再建模分析直至性能達標(biāo)。

3 CFD 分析

3.1 模型的建立和邊界的定義

本分析所述的設(shè)計模型包括空調(diào)主機（HVAC）、吹腳風(fēng)道、封閉乘員艙（95%的模擬假人、座椅、方向盤、儀表臺、副儀表臺、ABC 柱、風(fēng)窗等）。

在前處理軟件Hyper-mesh 中對以上所述的數(shù)模進行網(wǎng)格劃分后進入Star-ccm+軟件中進行分析。諸多理論研究表明，空氣在空調(diào)風(fēng)道里的流動適宜于采用不可壓縮流體的k-ε模型描述。假設(shè)整個流體是穩(wěn)態(tài)湍流，不考慮流體重力，忽視分子間的粘性[5]。表1 為模型中的物理特性設(shè)置。

表1 模型中的物理特性設(shè)置

3.2 分析結(jié)果

分析用的假人模型模擬行駛中駕駛員坐姿，左腳放在擱腳踏板上，右腳放在加速踏板上。

經(jīng)分析，駕駛員側(cè)氣流避開了駕駛員腳部，只有左腳有少許氣流流過，氣流吹到了駕駛員左邊的門板上，左右腳流線分布和風(fēng)速不均衡，主觀感受“凍腳”/“左右腳冰火兩重天”。

圖4 駕駛員左右腳風(fēng)速云圖和流線圖

4 改進建議與對比分析

圖5 駕駛員側(cè)吹腳風(fēng)道改進尺寸圖

為了讓氣流兼顧左右腳不同的位置，修改原風(fēng)道內(nèi)的格柵段設(shè)計，圖5 給出了詳細(xì)的改進方法。對比圖3 看出，風(fēng)道開口還是成梯形設(shè)計，尺寸和位置不變，將風(fēng)道內(nèi)的格柵段由22.5mm 加長至26mm，將原設(shè)計的水平格柵調(diào)整為上三片13°，下兩片22°，共計5 片格柵，間距10mm。

圖6 改進后駕駛員左右腳風(fēng)速云圖和流線圖

圖7 駕駛員腳部風(fēng)速和壓力對比圖

表2 改進前后左右腳平均風(fēng)速

對改進前后設(shè)計進行對比分析，改進后駕駛員左右腳都有氣流直接吹上，且左右腳平均風(fēng)速增加，主觀感受腳部取暖效果明顯提高。

5 結(jié)束語

本文利用CFD 軟件和假人模型，對駕駛員腳部感知的風(fēng)速壓力和氣流流線分布進行分析，指出原設(shè)計的不合理處，并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計提出改進。通過結(jié)果對比，改進后駕駛員左右腳部風(fēng)速明顯提高，氣流走向更合理，提高了駕駛舒適度，為汽車空調(diào)吹腳風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。