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        針對改款車型的空調(diào)系統(tǒng)仿真分析方法

        2022-10-27 06:51:42邱雪杰劉丹丹
        汽車電器 2022年10期
        關(guān)鍵詞:模型

        邱雪杰,曾 英,薛 鵬,劉丹丹

        (長安汽車股份有限公司合肥研究院,安徽 合肥 230000)

        近年來隨著汽車行業(yè)競爭態(tài)勢日益激烈,國內(nèi)各大主機廠對主打車型加快更新速度,爭相推出改款車型,以滿足市場和客戶的需求,進而直接影響企業(yè)在汽車市場的競爭力。

        目前各主機廠空調(diào)系統(tǒng)的研發(fā)主要依賴于前期的模擬方針和后期的試驗驗證,KULI是一款世界知名的熱管理仿真軟件,使用KULI軟件對改款車型的空調(diào)性能仿真分析,可以減少CAE分析和試驗驗證環(huán)節(jié)中的人力和物力,縮短整個系統(tǒng)的研發(fā)周期,保證產(chǎn)品快速投產(chǎn),KULI軟件的仿真分析一般分為兩個部分:基礎(chǔ)款車型建模及標定、改款車型建模及性能分析,具體的系統(tǒng)性能流程分析如圖1所示。

        圖1 KULI軟件空調(diào)系統(tǒng)性能分析流程

        1 基礎(chǔ)款車型建模及標定

        1.1 蒸發(fā)器、冷凝器參數(shù)收集及標定

        蒸發(fā)器、冷凝器參數(shù)收集

        冷凝器、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同,性能參數(shù)中冷凝器比蒸發(fā)器多了冷凝水部分,且該參數(shù)對計算結(jié)果影響較大,因此盡可能提高冷凝水的測量精度。另外,除上述參數(shù)還需收集內(nèi)外循環(huán)進出口溫度、換熱量等參數(shù),用于后續(xù)換熱器標定。

        該部分參數(shù)分為結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能數(shù)據(jù)兩部分,性能參數(shù)推薦測試5組以上數(shù)據(jù),具體收集參數(shù)解讀如表1、表2所示。

        蒸發(fā)器、冷凝器標定

        在KULI軟件中,蒸發(fā)器及冷凝器模塊自帶標定界面“adjustment”,將臺架試驗輸入后,在“adjustment parameters”界面選定所需標定的參數(shù)類型進行標定。標定后可通過錯誤顯示界面查看標定精度,冷凝器參數(shù)的標定精度可達到±2%,蒸發(fā)器因受到冷凝水的影響,標定精度一般比冷凝器稍差。圖2是蒸發(fā)器在KULI軟件中的標定精度界面。

        圖2 蒸發(fā)器標定精度界面

        表1冷凝器、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)

        表2冷凝器、蒸發(fā)器性能參數(shù)

        單體模型標定后,建立蒸發(fā)器及冷凝器的臺架試驗?zāi)P停糜谀P途闰炞C及進一步參數(shù)標定,圖3為建立的某車型蒸發(fā)器臺架試驗?zāi)P?,輸入的工況參數(shù)見表3。

        圖3 蒸發(fā)器標定模型

        表3 蒸發(fā)器標定工況

        1.2 膨脹閥參數(shù)收集

        以最常用的四象限膨脹閥為例,收集參數(shù)要求如下。

        1)充注特性數(shù)據(jù):即不同蒸發(fā)器出口溫度對應(yīng)的蒸發(fā)器出口壓力。

        2)升程-壓力數(shù)據(jù):不同的蒸發(fā)器出口溫度下,閥門升程對應(yīng)的蒸發(fā)器出口壓力數(shù)據(jù),推薦4組及以上不同蒸發(fā)器出口溫度(例如0℃、10℃、20℃、30℃)。

        3)升程-流量數(shù)據(jù):不同的膨脹閥進口壓力下,閥門升程對應(yīng)的流量數(shù)據(jù),推薦4組及以上不同膨脹閥進口壓力(例如1.1MPa、1.5MPa、1.7MPa、2MPa)。

        4)溫度-流量數(shù)據(jù):不同的膨脹閥進口壓力下,蒸發(fā)器出口溫度對應(yīng)的流量數(shù)據(jù),推薦4組及以上不同膨脹閥進口壓力(例如1.1MPa、1.5MPa、1.7MPa、2MPa)。

        1.3 壓縮機參數(shù)收集

        以定排量壓縮機為例,需要收集不同增壓比下,壓縮機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的容積效率、等熵效率和機械效率,同一增壓比最少獲取4組及以上壓縮機轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù),另外還需收集壓縮機排量數(shù)據(jù)。

        1.4 管路參數(shù)收集

        空調(diào)管路分為金屬管及橡膠軟管,建模過程中膠管可不考慮換熱影響,收集結(jié)構(gòu)參數(shù)搭建簡單模型。金屬管考慮到與周圍環(huán)境的換熱,需收集基礎(chǔ)款車型空調(diào)管所處的熱場溫度和風速,如表4所示。

        表4 管路收集參數(shù)

        1.5 乘員艙參數(shù)收集及標定

        乘員艙參數(shù)

        乘員艙分為簡單乘員艙和復(fù)雜乘員艙。復(fù)雜乘員艙收集參數(shù)過多,標定步驟復(fù)雜,如基礎(chǔ)款乘員艙參數(shù)不全,很難快速收集,不適于快速仿真分析。簡單乘員艙模型可以模擬平均出口溫度及乘員艙平均溫度,只需收集乘員艙容積、表面積、前擋玻璃面積及角度即可。

        乘員艙標定

        在簡單乘員艙模型中,以標定艙內(nèi)平均溫度為例,乘員艙入口溫度為風口平均溫度,因此收集基礎(chǔ)款平均風口溫度試驗值,光照、風量、濕度及試驗時間等參數(shù)與試驗工況保持一致,利用瞬態(tài)工況模型,通過調(diào)整質(zhì)量塊常數(shù)和換熱系數(shù)進行標定乘員艙,標定模型如圖4所示,標定后艙內(nèi)平均溫度標定曲線應(yīng)與試驗數(shù)據(jù)曲線相符。圖5為某車型乘員艙模型艙內(nèi)平均溫度標定結(jié)果)。

        圖4 簡單乘員艙標定模型

        圖5 某車型乘員艙內(nèi)平均溫度標定曲線

        1.6 基礎(chǔ)款空調(diào)系統(tǒng)建模及參數(shù)耦合標定

        整車空調(diào)系統(tǒng)模型包括內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)。建模時除物理模型外,還需包括熱量損失模型(主要是管路與周圍環(huán)境的熱交換損失、HVAC總成的風道熱損失),建模工況參數(shù)如表5所示。

        表5穩(wěn)態(tài)工況建模參數(shù)

        其中蒸發(fā)器、冷凝器風量可輸入實測及CAE分析數(shù)據(jù)(蒸發(fā)器風量也可由HVAC臺架實測數(shù)據(jù)代替)。

        風道熱損系數(shù)可以通過風道模型單獨標定(如下述改款車型中的風道模型標定),也可在系統(tǒng)模型中直接利用試驗數(shù)據(jù),通過調(diào)整熱損失系數(shù)進行參數(shù)耦合,通過試算的方式確定耦合后的計算結(jié)果與基本型試驗結(jié)果相符或誤差很小為止。某車型的空調(diào)系統(tǒng)模型如圖6所示。

        圖6 某車型穩(wěn)態(tài)工況模型

        2 改款車型建模及性能分析

        2.1 參數(shù)收集及標定

        改款車型的空調(diào)各零部件參數(shù)收集及標定按照上述基礎(chǔ)款的方法進行。

        2.2 風道模型標定

        如改款車型中HVAC風道變化較大,需要收集相關(guān)臺架試驗數(shù)據(jù),利用KULI參數(shù)優(yōu)化功能進行改款車型的風道模型熱損標定,某車型HVAC風道標定模型如圖7所示。

        圖7 某車型HVAC風道標定模型

        2.3 改款車型建模及性能分析

        在基礎(chǔ)款模型的基礎(chǔ)上,更換需要變更的零部件模型參數(shù)及標定后的風道熱損系數(shù),模型運算結(jié)果即為改款車型的性能仿真分析結(jié)果,在某款車型上,進行的仿真結(jié)果和實測數(shù)據(jù)對比,部分數(shù)據(jù)(由于涉密問題,只展示部分數(shù)據(jù))如圖8所示,其穩(wěn)定后仿真的結(jié)果精度達到<1℃。

        圖8 仿真結(jié)果和實測數(shù)據(jù)對比

        3 結(jié)論

        通過建??梢园l(fā)現(xiàn)模型的仿真精度主要取決于:各個模型輸入?yún)?shù)的精準度、模型臺架試驗測量點數(shù)量(如膨脹閥各象限測試點數(shù)量、壓縮機同一增加比下的測試點數(shù)量)、換熱器和乘員艙模型標定精度、風道熱損系數(shù)標定精度。因此建模前需要先檢查模型的參數(shù)及試驗數(shù)據(jù)是否有異常,然后在參數(shù)標定過程中需要多次擬合,直至精度不能再提升為止。

        KULI空調(diào)系統(tǒng)的仿真分析對于在改款車型的結(jié)果分析和方案驗證上,有著明顯的優(yōu)勢,比如增加或減小冷凝器、壓縮機、蒸發(fā)器的性能,更改膨脹閥的參數(shù),更換空調(diào)管路設(shè)計等,其對空調(diào)系統(tǒng)的影響可以直接通過KULI仿真模型中進行計算,其計算出的結(jié)果完全可以作為方案分析的依據(jù),使用KULI仿真模型計算方法,可以快速評估方案的效果,減少CAE分析和試驗驗證環(huán)節(jié)中的人力和物力,縮短的整個系統(tǒng)的研發(fā)周期。

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