王魏興，夏春波，鄭召濤，余 波，肖 垚，席椿富

（中國(guó)汽車(chē)工程研究院，重慶 401122）

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)舒適性的要求越來(lái)越高，乘員艙的降溫效果成為評(píng)價(jià)乘員艙舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。一般情況下，轎車(chē)只擁有一套空調(diào)系統(tǒng)就能滿足降溫需求，對(duì)于尺寸較大的車(chē)型如大型SUV、MPV等，為了更好地保證乘員艙舒適性，通常會(huì)增加一套頂蒸空調(diào)系統(tǒng)（Heating，Ventilation and Air Conditioning，HVAC），HVAC

位于后輪轂包位置，風(fēng)管位于C柱（或D柱）和頂棚內(nèi)，出風(fēng)口位于頂棚位置；由于受到頂棚空間限制，風(fēng)管方向與風(fēng)口方向處于互為垂直的結(jié)構(gòu)，風(fēng)口位置會(huì)存在較大的風(fēng)口空腔，氣流通過(guò)風(fēng)口空腔時(shí)容易形成渦流。頂蒸風(fēng)管不同于前吹面風(fēng)管，氣流從風(fēng)管進(jìn)入風(fēng)口后，在風(fēng)口空腔中要經(jīng)過(guò)90°向轉(zhuǎn)角才能吹入乘員艙，這會(huì)出現(xiàn)風(fēng)口出風(fēng)不均勻的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)風(fēng)口一半以上區(qū)域無(wú)風(fēng)的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致乘員艙整體制冷效果不佳，影響乘員艙舒適性以及駕乘體驗(yàn)[2]。

龔繼如[3]通過(guò)仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方式分析了風(fēng)道壓力對(duì)空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)均勻性的影響，但并未研究風(fēng)口結(jié)構(gòu)對(duì)出風(fēng)均勻性的影響。王愛(ài)斐等[4]探究了軌道交通車(chē)輛空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)其整體送風(fēng)均勻性的影響，但并未研究單個(gè)風(fēng)口出風(fēng)均勻性。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，這樣前期無(wú)法有效地評(píng)估對(duì)應(yīng)方案下風(fēng)口的出風(fēng)均勻性，且加大了開(kāi)發(fā)的周期和成本。本文通過(guò)CFD仿真分析對(duì)風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化，有效地提升了出風(fēng)口的均勻性，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，最后通過(guò)樣件裝車(chē)試驗(yàn)方法對(duì)最終狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案能有效解決風(fēng)口均勻性差的問(wèn)題。

1 幾何模型介紹

某車(chē)型頂蒸風(fēng)口出風(fēng)均勻性較差，甚至?xí)霈F(xiàn)風(fēng)口一半以上區(qū)域無(wú)風(fēng)的現(xiàn)象，駕乘體驗(yàn)不滿足要求。應(yīng)車(chē)企要求，對(duì)該車(chē)的風(fēng)口出風(fēng)均勻性進(jìn)行優(yōu)化。

該車(chē)為7座大型SUV，為保證后兩排乘員的舒適性，頂蒸風(fēng)口采用前后各兩個(gè)風(fēng)口的布置方式，風(fēng)管方向和風(fēng)口方向互相垂直，風(fēng)管分析模型如圖1所示，風(fēng)口的結(jié)構(gòu)及形成的空腔如圖2所示。

圖1 某SUV頂蒸幾何模型

圖2 某SUV頂蒸風(fēng)口模型

2 頂蒸出風(fēng)均勻性目標(biāo)

參考空調(diào)前排吹面風(fēng)口的出風(fēng)均勻性統(tǒng)計(jì)值并與相關(guān)工程師進(jìn)行討論，確定本次頂蒸風(fēng)口出風(fēng)均勻性的優(yōu)化目標(biāo)如下。

2.1 CFD仿真目標(biāo)

（1）針對(duì)某一風(fēng)口，均勻性系數(shù)≥0.7。

（2）風(fēng)口被格柵葉片劃分為多個(gè)出風(fēng)間隙依次為1、2風(fēng)口（圖3），每個(gè)出風(fēng)間隙的平均風(fēng)速與整個(gè)風(fēng)口平均風(fēng)速的差值不超過(guò)20%。

圖3 頂蒸風(fēng)口模型

2.2 試驗(yàn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

（1）主觀感受各個(gè)區(qū)域風(fēng)速度，出風(fēng)是否均勻。

（2）同一風(fēng)口均分為左、中、右3個(gè)區(qū)域（圖4），每個(gè)區(qū)域隨機(jī)測(cè)量3次有效值，取平均值記為該區(qū)域的平均風(fēng)速。

圖4 頂蒸風(fēng)口模型分區(qū)

（3）將上述各區(qū)域的平均風(fēng)速取平均值記為本次測(cè)量整個(gè)風(fēng)口的平均風(fēng)速；每個(gè)區(qū)域的平均風(fēng)速與整個(gè)風(fēng)口的平均風(fēng)速差值保持在20%以內(nèi)。

3 模型建立及邊界條件設(shè)置

3.1 模型建立

為保證計(jì)算精度，處理模型時(shí)盡量保證模型的完整性，以及保留乘員艙中所有部件，包括全部格柵葉片、風(fēng)口、頂棚、風(fēng)管等。將整個(gè)乘員艙及HVAC、風(fēng)管、風(fēng)口處理為完整的封閉的計(jì)算域，且各個(gè)風(fēng)口區(qū)域50 mm范圍內(nèi)的頂棚數(shù)據(jù)不做簡(jiǎn)化處理；網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1～16 mm，對(duì)風(fēng)管、HVAC、風(fēng)口及風(fēng)口直吹段區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密；對(duì)風(fēng)管、風(fēng)口、HVAC進(jìn)行邊界層設(shè)置，最終面網(wǎng)格數(shù)量為2 360 412個(gè)，體網(wǎng)格總數(shù)量為18 274 694個(gè)；整個(gè)降溫模型為內(nèi)循環(huán)。

3.2 分析邊界條件

入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，前HVAC入口質(zhì)量流量為420 m3/h，后HVAC入口質(zhì)量流量為210 m3/h，出口設(shè)置為壓力出口。

4 基礎(chǔ)模型和初版模型分析結(jié)果

本文主要研究風(fēng)口出風(fēng)均勻性，基礎(chǔ)模型分析結(jié)果顯示風(fēng)口1出風(fēng)均勻性最差，因此，將風(fēng)口1作為研究對(duì)象進(jìn)行分析優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 風(fēng)口位置布置

初版模型分析結(jié)果顯示，風(fēng)口1的出風(fēng)均勻性系數(shù)為0.61不滿足目標(biāo)值0.7，且風(fēng)口平均風(fēng)速為3.9 m/s。風(fēng)口左側(cè)間隙風(fēng)速普遍在2 m/s以下（圖6），不滿足每個(gè)出風(fēng)間隙的平均風(fēng)速與整個(gè)風(fēng)口平均風(fēng)速的差值不超過(guò)20%的要求；整個(gè)風(fēng)口均勻性較差，需要對(duì)出風(fēng)均勻性進(jìn)行優(yōu)化。

如圖6和圖7所示，風(fēng)口1出風(fēng)很不均勻，出現(xiàn)同一風(fēng)口一半有風(fēng)一半無(wú)風(fēng)的現(xiàn)象，與前期車(chē)企反饋的問(wèn)題一致。由于風(fēng)管的布置空間有限，風(fēng)管方向與風(fēng)口方向互為垂直，風(fēng)口位置存在較大的風(fēng)口空腔，氣流在流經(jīng)空腔時(shí)，會(huì)在空腔內(nèi)形成渦流（圖8），導(dǎo)致氣流不能從風(fēng)口均勻地流入乘員艙，所以需要對(duì)空腔進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 風(fēng)口風(fēng)速分布云圖

圖8 風(fēng)口出風(fēng)流線俯視圖

5 優(yōu)化方案

原狀態(tài)的風(fēng)口結(jié)構(gòu)如圖9所示，只有一條筋用于調(diào)整風(fēng)口的風(fēng)量，由于筋未將風(fēng)口完全分割成獨(dú)立的風(fēng)口，導(dǎo)致風(fēng)口空腔并不是獨(dú)立的空腔，對(duì)后期的優(yōu)化不利。

圖9 原狀態(tài)風(fēng)口結(jié)構(gòu)

按圖10所示的方式調(diào)整出風(fēng)口空腔的結(jié)構(gòu)，將位置1處的筋打通，使風(fēng)口處形成一個(gè)完整獨(dú)立的空腔，使風(fēng)口的出風(fēng)方式受干擾因素減少；通過(guò)不斷的優(yōu)化調(diào)整，最終在位置2處加1個(gè)寬度為20 mm，長(zhǎng)度為50 mm，深度為6～14 mm的楔形凸臺(tái)，以改變空腔結(jié)構(gòu)和渦流狀態(tài)；在位置3處加1個(gè)寬度為10 mm，長(zhǎng)度為20 mm，深度為5 mm的凸臺(tái)，提前下壓一部分氣流進(jìn)入乘員艙，防止渦流減弱或消失后，氣流完全從風(fēng)口的遠(yuǎn)端進(jìn)入乘員艙的現(xiàn)象。

圖10 優(yōu)化出風(fēng)口空腔結(jié)構(gòu)示意圖

6 優(yōu)化模型分析結(jié)果

優(yōu)化模型分析結(jié)果顯示，風(fēng)口1的出風(fēng)均勻性系數(shù)為0.73，滿足目標(biāo)值0.7，且風(fēng)口平均風(fēng)速為4.1 m/s，風(fēng)口各個(gè)間隙風(fēng)速超過(guò)平均風(fēng)速的區(qū)域均在一半以上，如圖11和表1所示。風(fēng)速均勻地從風(fēng)口的各個(gè)格柵間隙進(jìn)入乘員艙，如圖12所示。隨著空腔結(jié)構(gòu)的改變，渦流強(qiáng)度大大減弱，如圖13所示，能夠使氣流從整個(gè)風(fēng)口均勻地進(jìn)入乘員艙。

圖11 優(yōu)化方案風(fēng)口風(fēng)速分布云圖

表1 各個(gè)格柵間隙平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

圖12 優(yōu)化方案風(fēng)口出風(fēng)流線側(cè)視圖

圖13 優(yōu)化方案風(fēng)口出風(fēng)流線俯視圖

7 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)量風(fēng)口風(fēng)速時(shí)將風(fēng)口分為左、中、右3個(gè)區(qū)域，如圖14所示，分別測(cè)量3個(gè)區(qū)域的出風(fēng)速度，如圖15所示，且每個(gè)區(qū)域隨機(jī)測(cè)量3次，取平均值。

圖14 風(fēng)口分區(qū)域示意圖

圖15 風(fēng)口風(fēng)速測(cè)量示意圖

優(yōu)化前對(duì)原車(chē)使用風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)口1處的出風(fēng)風(fēng)速；測(cè)得左、中、右3個(gè)區(qū)域的風(fēng)速分別為0.8 m/s、2.9 m/s、4.3 m/s（表2），主觀感受3個(gè)區(qū)域風(fēng)速差異較大，左側(cè)基本感受不到風(fēng)，均勻性差。

表2 優(yōu)化前各區(qū)域風(fēng)速測(cè)量值 單位：m/s

優(yōu)化后制作快速樣件并裝車(chē)，使用風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)口1的出風(fēng)速度；測(cè)得左、中、右3個(gè)區(qū)域的風(fēng)速分別為2.8 m/s、3.1 m/s、2.6 m/s（表3）；測(cè)得3個(gè)區(qū)域的風(fēng)速差異較小，能夠感受到整個(gè)風(fēng)口都有較大的風(fēng)吹出，且各區(qū)域的平均風(fēng)速都在實(shí)測(cè)風(fēng)口平均風(fēng)速的20%以內(nèi)，滿足風(fēng)口的設(shè)計(jì)要求，能夠得到很好的駕乘體驗(yàn)。

實(shí)測(cè)的平均風(fēng)速都比分析的平均風(fēng)速低，主要是由于風(fēng)速葉輪測(cè)速儀尺寸較大，出風(fēng)口較窄，測(cè)

表3 優(yōu)化后各區(qū)域風(fēng)速測(cè)量值 單位：m/s

試時(shí)出風(fēng)口不能有效地覆蓋整個(gè)風(fēng)速儀，測(cè)試的風(fēng)速比實(shí)際的風(fēng)速偏低。但通過(guò)各個(gè)區(qū)域的平均風(fēng)速及整個(gè)風(fēng)口的平均風(fēng)速間的相互對(duì)比可以判定出風(fēng)的均勻性。

8 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某車(chē)型頂蒸風(fēng)口出風(fēng)均勻性優(yōu)化分析，在風(fēng)口空腔內(nèi)加凸臺(tái)的優(yōu)化方案很好地改善了風(fēng)口的出風(fēng)均勻性，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)果能夠滿足設(shè)計(jì)要求。在整車(chē)開(kāi)發(fā)前期采用這種在風(fēng)口空腔內(nèi)加凸臺(tái)的方法可以快速有效地改善風(fēng)口出風(fēng)均勻性，縮短研發(fā)周期。該優(yōu)化方法可以作為同類(lèi)車(chē)型頂蒸吹面的參考。