王良柱，張蒙，徐靜

基于Fluent的汽車空調(diào)風(fēng)道仿真及結(jié)構(gòu)改進

王良柱1，張蒙2，徐靜1

（1.成都航天模塑股份有限公司，四川 成都 610100； 2.四川省機械研究設(shè)計院（集團）有限公司，四川 成都 610063）

以整車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)為研究對象，采用網(wǎng)格前處理軟件HyperMesh以及CFD流體分析軟件Fluent，基于-RNG湍流模型，對空調(diào)各出風(fēng)口分風(fēng)量進行了仿真分析，得出了前排主、副駕以及后排空調(diào)出風(fēng)口的分風(fēng)量，結(jié)果表明，前排主、副駕空調(diào)出風(fēng)口分風(fēng)量滿足設(shè)計要求，后排空調(diào)出風(fēng)口分風(fēng)量小于設(shè)計要求的分風(fēng)量，不能滿足設(shè)計要求；對分析結(jié)果進一步研究，找出影響后排出風(fēng)口分風(fēng)量的原因，經(jīng)過對副儀表骨架風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進，重新劃分網(wǎng)格后進行仿真分析，分析結(jié)果表明各出風(fēng)口分風(fēng)量達到了設(shè)計要求。該研究對解決空調(diào)風(fēng)道分風(fēng)量不均的問題提供了參考。

汽車空調(diào)；風(fēng)道；CFD；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

汽車的副儀表板是汽車內(nèi)飾的重要部件之一，集成了杯托、儲物盒、換擋面罩、扶手、煙灰缸、后排出風(fēng)口等功能件。目前中級車型基本都設(shè)有后排出風(fēng)口，但由于該級別的車型都帶有較多的功能，其副儀表板的寬度一定，采用目前的后排通風(fēng)管道設(shè)計對整車向的尺寸要求較大，存在很多限制[1]。傳統(tǒng)的后排空調(diào)風(fēng)道為單獨的吹塑成型風(fēng)管，一般通過固定栓固定在副儀表板本體上，由于是在通風(fēng)管道內(nèi)部通過螺釘固定，固定方式不方便；且由于通風(fēng)管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，通風(fēng)效果較差，空氣泄漏量較大，降低了空調(diào)的利用率，同時增加了裝配時間和產(chǎn)品成本。

采用后排空調(diào)風(fēng)道與副儀表骨架一體化設(shè)計，可減少因裝配不良導(dǎo)致的空氣泄漏，提高空調(diào)利用率，節(jié)省裝配時間和產(chǎn)品成本。

公司原有風(fēng)道設(shè)計對經(jīng)驗依賴較強，設(shè)計周期較長，驗證費用較高。本文通過Fluent軟件，對新開發(fā)的一款副儀表板本體后排風(fēng)道的流動狀態(tài)進行分析，得到了各出風(fēng)口的分風(fēng)量及風(fēng)道表面壓強區(qū)域分布，設(shè)計要求前排空調(diào)各出風(fēng)口分風(fēng)比例為20%±2.5%、后排空調(diào)出風(fēng)口分風(fēng)比例不小于15%，原設(shè)計分析結(jié)果不能滿足設(shè)計要求，隨后實施了優(yōu)化方案并與原設(shè)計進行對比，結(jié)果表明優(yōu)化方案有效提高了后排空調(diào)風(fēng)道的分風(fēng)比例，達到了設(shè)計要求。

1 物理模型

本分析數(shù)據(jù)模型包括主儀表空調(diào)風(fēng)道以及主副駕四個空調(diào)出口格柵、空調(diào)分風(fēng)器、副儀表本體和左右側(cè)板以及后排出口格柵，總體分析數(shù)據(jù)模型如圖1所示。

對空調(diào)進行流體分析前，首先需要對CAD模型進行前處理，去除對分析沒有影響的風(fēng)道表面特征，從CAD模型中抽出風(fēng)道的內(nèi)表面以及出口格柵外表面，如圖2所示。

將提取的空調(diào)風(fēng)道及空調(diào)分風(fēng)器內(nèi)表面數(shù)模導(dǎo)入HyperMesh中進行工程化建模，從復(fù)雜的三維幾何中，提取主要的特征并忽略次要特征[2]進行碎面縫合，對風(fēng)道連接位置進行光順處理，刪除出風(fēng)口格柵不影響出風(fēng)量的風(fēng)向調(diào)節(jié)機構(gòu)，去除＜0.5 mm的圓角，將出口格柵與風(fēng)道本體進行簡化連接，形成一個封閉的空間計算面域，包括出口格柵、空調(diào)分風(fēng)器內(nèi)部擋板、風(fēng)道內(nèi)表面等；在HyperMesh中對封閉的面進行網(wǎng)格處理，對風(fēng)道進行網(wǎng)格劃分時總體要求是連續(xù)、均勻、美觀、過渡平緩。網(wǎng)格采用四面體單元，網(wǎng)格尺寸按1.5～5 mm，對內(nèi)表面形成的封閉面劃分面網(wǎng)格，經(jīng)檢查沒有網(wǎng)格錯誤后直接生成計算所需的體網(wǎng)格，對重點關(guān)注區(qū)域，如吹面風(fēng)道以及出口格柵進行局部加密，保證計算精度，共生成150萬左右網(wǎng)格。網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖1 分析數(shù)據(jù)模型

圖2 空調(diào)風(fēng)道表面

圖3 總體網(wǎng)格模型

2 控制方程及邊界條件

根據(jù)試驗對比，空調(diào)內(nèi)部的流動分析采用-RNG湍流模型進行分析，在實驗基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雷諾應(yīng)力方程為：

式中：為流體密度，kg/m3；為湍流動能，J；為關(guān)于時間的自由變量，s；u為向量的氣流速度，m/s；x為的向量；μ為湍流有效粘度系數(shù)；G為由平均速度梯度引起的湍流動能的產(chǎn)生項，J；為湍流動能耗散率；α、α、1ε、2ε為經(jīng)驗常數(shù)，取值為α＝1.39、α＝1.39、1ε＝1.42、2ε＝=1.68[3]。

為簡化問題，對計算區(qū)域做如下簡化假設(shè)：

（1）固體區(qū)域與流體區(qū)域的物性參數(shù)（如固體的密度、流體的密度與粘度）為常數(shù)；

（2）流動為穩(wěn)態(tài)流動（速度、壓力、溫度等物理量不隨時間變化）；

（3）不考慮重力和溫度的影響。

計算介質(zhì)為空氣，標準大氣壓＝101325 Pa，溫度為常溫23℃，空氣密度＝1.225 kg/m3，空氣粘度＝1.7894×10-5N·s/m3；設(shè)空調(diào)主機的入口作為質(zhì)量入口，空氣在入口處的速度均勻分布，進口風(fēng)量500 m3/h，方向垂直于邊界，出口設(shè)為壓力出口，為一個標準大氣壓，對于空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道分析，壓力－速度耦合一般采用SIMPLE算法，針對該空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)計要求，收斂判斷條件為所有物理量的誤差不大于1.0×10-4。

3 原始風(fēng)道分風(fēng)量分析

原始設(shè)計風(fēng)道結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析計算分風(fēng)量結(jié)果如表1所示，可以計算得出空調(diào)風(fēng)道駕駛員側(cè)和副駕側(cè)風(fēng)量分配比例分別為45.5%、43.2%，后排側(cè)空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)量分配比例為11.3%。前排主副駕風(fēng)量分配比例基本滿足設(shè)計要求，各風(fēng)口分風(fēng)量基本滿足要求20%±2.5%；后排風(fēng)量分配比例小于設(shè)計要求的15%，不滿足設(shè)計要求。因此后排空調(diào)風(fēng)道，即副儀表骨架風(fēng)道結(jié)構(gòu)需要重新優(yōu)化來滿足設(shè)計要求。

表1 原始空調(diào)風(fēng)道各出風(fēng)口風(fēng)量分配比例

從后排空調(diào)風(fēng)道內(nèi)部空氣流動的流線圖（圖4）和速度矢量圖（圖5）可以看出，在后排空調(diào)風(fēng)道與后排出風(fēng)口格柵連接位置產(chǎn)生了明顯旋渦，造成流動損失[4]，流動阻力增大，進而使得后排出風(fēng)口流速以及流量的降低；同時，該位置流動方向有明顯的改變，這也是導(dǎo)致流動阻力增加、出風(fēng)口分風(fēng)量較低的一個原因。為提高后排出風(fēng)口出風(fēng)量，此處需要進一步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，減小流動的方向突變。

圖4 原始后排空調(diào)風(fēng)道流線圖

圖5 原始后排空調(diào)道矢量圖

后排空調(diào)風(fēng)道表面壓力云圖如圖6所示，可以看出，在后排風(fēng)道的入口前部連接管處出現(xiàn)高壓區(qū)，風(fēng)道與后部出口格柵位置局部出現(xiàn)低壓區(qū)。入口出現(xiàn)高壓區(qū)表明空調(diào)風(fēng)道的流動阻力較大，分析后排空調(diào)風(fēng)道產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可知，在連接管與副儀表空調(diào)風(fēng)道連接處，截面突變較為嚴重，后排風(fēng)道入口截面面積小于連接管出口截面面積，同時在風(fēng)道中間位置，由于副儀表骨架產(chǎn)品需要裝配避讓其他零件，導(dǎo)致流通過程中截面變小，風(fēng)道尾部與出口格柵連接位置，由于副儀表骨架設(shè)置有扶手盒，風(fēng)道兩支管匯合處不能夠做到光順轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致了局部阻力損失增加。總之，由于空氣進入后排風(fēng)道后，風(fēng)道截面的突變以及流動方向的突變，流動阻力增大，出口風(fēng)量降低，導(dǎo)致了后排空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)量不能滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

從流體流動的一般規(guī)律來看，流動的損失主要是局部壓力損失導(dǎo)致的，局部壓力是由于空氣在管道中的流動時，其流動的方向、流量或速度驟然突變，在風(fēng)道內(nèi)產(chǎn)生渦流和速度的重新分布，從而使流動阻力大大增加，造成能量損失，這樣的流動損失稱為局部壓力損失。如風(fēng)道中的三通、彎頭、截面擴大或縮小及進出口處，都會使空氣的速度或流向發(fā)生改變，從而產(chǎn)生局部阻力損失。這種局部壓力損失，會使空調(diào)噪聲加大。沿程壓力損失主要受限于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如截面積突變以及流動方向的突變等。所以，在對空調(diào)風(fēng)道進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需盡量避免流體流動的截面突變以及方向突變，減小流動阻力?？傊?，在分風(fēng)道設(shè)計時，風(fēng)道走向盡量避免過大的轉(zhuǎn)角，這會增加局部壓力損失；在風(fēng)道內(nèi)部盡量不要有尖角或突出物，這容易產(chǎn)生蝸旋氣流，并有可能產(chǎn)生噪音；風(fēng)道截面大小盡量做到均勻過渡，避免截面面積、流動方向等的突變。

根據(jù)流體力學(xué)基本理論，結(jié)合計算機軟件工程，對風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，最大限度的減小截面突變和方向突變造成的流動損失。按照此優(yōu)化設(shè)計理論，在不影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度以及不增加模具制造成本的前提下，對副儀表骨架風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行改進，如增加副儀表骨架風(fēng)道前部的截面積，圓滑過渡尾部渦流位置的轉(zhuǎn)角。

圖6 原始后排空調(diào)表面壓強云圖

副儀表骨架風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如下：

（1）增加副儀表骨架風(fēng)道入口與前部連接管的截面積，降低入口流動阻力，如圖7（a）所示。

（2）在保證其他功能的前提下，增加副儀表風(fēng)道中間位置的截面積，減小空氣流動中的阻力，如圖7（b）所示。

（3）在保證模具制造以及滿足產(chǎn)品出模的前提下，對副儀表骨架風(fēng)道末端流動方向進行圓滑過渡處理，優(yōu)化風(fēng)道末端的方向突變，最大程度的降低流動阻力，避免渦流產(chǎn)生，如圖7（c）所示。

圖7 副儀表骨架風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

表2是優(yōu)化后的后排副儀表空調(diào)風(fēng)道分析結(jié)果，優(yōu)化改進后的空調(diào)風(fēng)道駕駛員側(cè)和副駕側(cè)風(fēng)量分配比例分別為43.7%、40.7%，后排側(cè)空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)量分配比例為15.7%。后排空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)口分風(fēng)量明顯增加，滿足了設(shè)計分風(fēng)量不小于15%的要求，同時前排主副駕風(fēng)量分配比例也滿足設(shè)計的各風(fēng)口分風(fēng)量20%±2.5%要求；對后排空調(diào)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有效改善了后排空調(diào)風(fēng)道的流動狀況。圖8為優(yōu)化后后排空調(diào)風(fēng)道流線圖，優(yōu)化后的后排空調(diào)風(fēng)道內(nèi)部渦流明顯改善，幾乎沒有渦流的產(chǎn)生，流動更加順暢，減小了流動的能量損失；圖9為優(yōu)化后的后排空調(diào)流動速度矢量圖，通過優(yōu)化調(diào)整風(fēng)道末端的轉(zhuǎn)向角度，增加圓角過渡，減小了流動過程中的方向突變，消除了原風(fēng)道的流動旋渦，流動阻力減小，流動更加順暢。圖10為優(yōu)化后的后排空調(diào)風(fēng)道表面壓力云圖。對比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的后排空調(diào)表面壓力云圖發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的后排空調(diào)風(fēng)道表面壓力比原始風(fēng)道壓力減小了10 Pa，阻力減小明顯，說明優(yōu)化后的后排空調(diào)風(fēng)道阻力損失降低。由優(yōu)化后的分析結(jié)果可知，通過對后排空調(diào)風(fēng)道不同位置的流通截面以及轉(zhuǎn)彎角度進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，風(fēng)道內(nèi)的流道狀態(tài)得到提升，流動阻力降低，優(yōu)化后的后排空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)口分風(fēng)量滿足了設(shè)計要求。

表2 優(yōu)化后空調(diào)風(fēng)道各出風(fēng)口風(fēng)量分配比例

圖8 優(yōu)化后排空調(diào)風(fēng)道流線圖

圖9 優(yōu)化后排空調(diào)風(fēng)道矢量圖

優(yōu)化完成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)評審、開模和注塑成型，在空調(diào)流量試驗臺架上對裝配完成的整車空調(diào)系統(tǒng)進行各出風(fēng)口分風(fēng)量試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

結(jié)果表明，在密封完好的情況下，各出風(fēng)口分風(fēng)量均滿足設(shè)計要求，同時試驗各出風(fēng)口分風(fēng)量與分析結(jié)果基本一致，再次證明了CFD仿真的準確性。

圖10 優(yōu)化后排空調(diào)表面壓強云圖

表3 實物空調(diào)風(fēng)道各出風(fēng)口風(fēng)量分配比例

5 總結(jié)及結(jié)論

轎車空調(diào)系統(tǒng)中，通常設(shè)置向后排送風(fēng)的后風(fēng)道，由于車身結(jié)構(gòu)的限制，后風(fēng)道的幾何形狀一般都比較復(fù)雜，況且達不到足夠的送風(fēng)量，影響后排座乘客的乘坐舒適性。本研究利用計算流體力學(xué)方法，對新開發(fā)的某一車型空調(diào)的雙后風(fēng)道流動特性進行分析，找出影響后排風(fēng)道流動的阻力點，結(jié)合副儀表骨架結(jié)構(gòu)強度問題，在滿足強度要求的前提下，設(shè)計出后排風(fēng)道與副儀表骨架一體化成型，在有限空間內(nèi)增加了后排風(fēng)道的截面面積。實現(xiàn)布局緊湊，減小外部尺寸，同時滿足后排乘客的舒適性，解決整車后排空調(diào)出風(fēng)口分風(fēng)量達不到設(shè)計要求的問題。并最終形成設(shè)計分析標準規(guī)范，以指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)在主副儀表板開發(fā)過程中的應(yīng)用。同時，試驗也進一步證明了數(shù)值計算方法的靈活及準確性，為后期類似項目的開發(fā)提供了便捷的方向。

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Simulation and Structural Improvement of Air Duct of Automobile Rear Air Conditioner Based on Fluent

WANG Liangzhu1，ZHANG Meng2，XU Jing1

( 1.Chengdu Aerospace Mould & Plastic Co., Ltd., Chengdu 610100, China;2.Sichuan Machinery Research and Design Institute (Group) Co., Ltd., Chengdu 610063, China )

3D fluid domain modeling after meshing (Hypermesh) satisfied requirements of calculation and analysis, also, CFD fluid analysis software (Fluent) were used to analyze the air duct system of car. This analysis was based on k-εRNG turbulence model. The calculation of each air outlet’s air volume result indicated that the value of rear air conditioning outlet can not adapt design requirement which the front ones can meet. Therefore, the analysis results were studied to find the reasons affecting the air distribution of rear air outlet. We modified the structure and modeled again. Optimization solutions which confirmed by analysis results meet design requirements as indicated. This study provides a reference for solving the problem of uneven air volume distribution in air duct.

air conditioner duct；air duct；CFD；structural improvement

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.01.005

1006－0316 (2021) 01－0030－07

2020－03－27

王良柱（1986－），山東菏澤人，碩士研究生，工程師，主要從事汽車空氣動力學(xué)研究工作，E-mail：wlzhu99@163.com。