林 敏， 曹紅軍， 曾 青， 馬 強(qiáng)， 黎亦磊

(中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司， 湖南 株洲 412007)

城市客車運(yùn)行時(shí)車門開啟頻繁，車內(nèi)乘員密度大、流動(dòng)性強(qiáng)，車內(nèi)空間大，玻璃面積大，上述原因均可導(dǎo)致車廂內(nèi)的熱負(fù)荷增大，所以制冷量的需求比其他車型要大一些[1-3]。在空調(diào)制冷量足夠大的情況下，冷風(fēng)在風(fēng)道出口的分布顯得尤為重要，已有文獻(xiàn)[4-7]從不同角度對(duì)空調(diào)風(fēng)道模型進(jìn)行了CFD仿真分析，不斷提高了仿真精度。在此基礎(chǔ)上，可根據(jù)車廂制冷需求利用CFD仿真軟件優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)[8-12]。

城市客車乘客門常用內(nèi)擺門，在風(fēng)道上開的滑槽孔配有擋風(fēng)結(jié)構(gòu)，漏風(fēng)現(xiàn)象不明顯，另外內(nèi)擺門的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)體積相對(duì)較小，在風(fēng)道內(nèi)的阻擋作用也有限，對(duì)風(fēng)量的分配影響較小。我司某款8.5 m車型采用塞拉門結(jié)構(gòu)，風(fēng)道上的開孔較大,漏風(fēng)嚴(yán)重，另外塞拉門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，體積龐大，容易阻塞風(fēng)道，嚴(yán)重影響風(fēng)量分布，設(shè)計(jì)初期需要對(duì)乘客門側(cè)風(fēng)道進(jìn)行CFD評(píng)估，優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)。

1 空調(diào)風(fēng)道流場(chǎng)仿真分析

1.1 仿真模型的建立

當(dāng)乘客門采用塞拉門時(shí)會(huì)進(jìn)行如下改進(jìn)：

1) 前乘客門處增加擋風(fēng)板。如圖1所示，擋風(fēng)板加在風(fēng)道內(nèi)側(cè)，既能改善前乘客門漏風(fēng)情況，還能維持車廂布局的整體性和美觀性(風(fēng)道一般采用統(tǒng)型風(fēng)道，有的車型需要增加擋風(fēng)板，有的不需要增加擋風(fēng)板，擋風(fēng)板加在風(fēng)道內(nèi)側(cè)，對(duì)風(fēng)道外觀無影響)。

圖1 前門擋風(fēng)板

2) 中乘客門頂部滑槽孔處設(shè)計(jì)擋風(fēng)毛刷。中門毛刷結(jié)構(gòu)如圖2所示，可進(jìn)一步改善風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量分布。

圖2 中門毛刷結(jié)構(gòu)圖

客車用頂置空調(diào)蒸發(fā)器以及蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)是左右對(duì)稱分布，且個(gè)體完全獨(dú)立，相互影響較小，兩側(cè)風(fēng)道的流量基本對(duì)稱，所以風(fēng)道流場(chǎng)仿真大多采用左右風(fēng)道分開仿真的方式。根據(jù)以上原則建立乘客門側(cè)風(fēng)道流體區(qū)域三維模型，如圖3所示,圖中編號(hào)1、2、3、4代表相應(yīng)的風(fēng)道出風(fēng)口，編號(hào)5、6代表方框展示的一排小尺寸的靜壓出風(fēng)口，其中編號(hào)4的出風(fēng)口代表風(fēng)道尾部?jī)蓚€(gè)可調(diào)出風(fēng)口，門泵滑槽孔出風(fēng)口沒有編號(hào)。依據(jù)風(fēng)道結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)度，設(shè)定風(fēng)道網(wǎng)格主尺寸為16 mm，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口網(wǎng)格尺寸為8 mm，風(fēng)道出風(fēng)口網(wǎng)格尺寸為 2 mm，右側(cè)風(fēng)道最終網(wǎng)格數(shù)目為6 175 831。

圖3 右側(cè)風(fēng)道三維模型

仿真模型邊界條件設(shè)定：

1) 綜合考量風(fēng)道流阻以及空調(diào)最大蒸發(fā)風(fēng)量數(shù)據(jù)，設(shè)定空調(diào)蒸發(fā)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為18 m/s(體積風(fēng)量÷出風(fēng)口面積=風(fēng)速，風(fēng)速18 m/s對(duì)應(yīng)的風(fēng)量為1 617 m3/h)。

2) 風(fēng)道出風(fēng)口邊界設(shè)定為Opening邊界，壓力設(shè)定為0 Pa(表壓)。

3) 風(fēng)道所有出風(fēng)口開度全開，風(fēng)道壁面為無滑移壁面。

最終風(fēng)道仿真模型如圖4所示，雙向箭頭代表Opening邊界。

圖4 乘客門側(cè)風(fēng)道仿真模型

1.2 仿真結(jié)果及優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.2.1 仿真結(jié)果

右側(cè)風(fēng)道出風(fēng)流線圖如圖5所示，圖中顯示風(fēng)道中的門泵系統(tǒng)有明顯的阻礙作用，只有少量的出風(fēng)流線經(jīng)過門泵系統(tǒng)與風(fēng)道之間的縫隙流向車頭方向，即出風(fēng)經(jīng)過門泵系統(tǒng)后速度明顯下降。

圖5 乘客門側(cè)風(fēng)道流線圖

提取編號(hào)1、2、3、4、5、6出風(fēng)口的風(fēng)速分別為2.9 m/s、2.1 m/s、3.4 m/s、3.75 m/s、3.9 m/s、6.2 m/s，其中2號(hào)出風(fēng)口只有2.1 m/s,CJ/T 134—2001《城市公交空調(diào)客車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)條件》[1]規(guī)定風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速適宜范圍高于3 m/s，2號(hào)出風(fēng)口風(fēng)速明顯偏低，1號(hào)出風(fēng)口風(fēng)速也在3 m/s以下。

出風(fēng)口風(fēng)速分布原因分析如下：

1) 本車型空調(diào)安裝位置比較靠后，風(fēng)道前部與空調(diào)蒸發(fā)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口之間的風(fēng)道侵入中乘客門門泵系統(tǒng)，中乘客門處風(fēng)道的流通面積減小，流阻增大，流向風(fēng)道前部的冷氣減少，導(dǎo)致出風(fēng)口1、2風(fēng)量風(fēng)速偏小，風(fēng)道尾部的出風(fēng)口(編號(hào)3、4、6)風(fēng)速偏大，直觀感受就是車廂前熱后冷。

2) 2號(hào)出風(fēng)口靠近門泵系統(tǒng)，門泵系統(tǒng)侵入風(fēng)道，風(fēng)道截面在此處突然減小，風(fēng)速會(huì)明顯增加，依據(jù)伯努利方程，總壓一定時(shí)，動(dòng)壓升高，靜壓就會(huì)降低(出風(fēng)口內(nèi)側(cè)靜壓)，車廂靜壓一直維持在一個(gè)大氣壓的狀態(tài)，這時(shí)出風(fēng)口內(nèi)外靜壓差很低(相比其他出風(fēng)口，2號(hào)出風(fēng)口靜壓差最小)，導(dǎo)致2號(hào)出風(fēng)口風(fēng)速最小。

另外仿真結(jié)果顯示，門泵滑槽孔出口(位置見圖3)的冷氣流量為28.7 m3/h，占總進(jìn)口風(fēng)量1 617 m3/h的1.7%，擋風(fēng)毛刷的設(shè)計(jì)效果很好。

1.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)風(fēng)道前端風(fēng)速風(fēng)量偏小的問題，在保證空調(diào)制冷量足夠的前提下，可以采用成本較低的增加導(dǎo)風(fēng)罩的優(yōu)化方案。導(dǎo)風(fēng)罩簡(jiǎn)易模型如圖6所示，導(dǎo)風(fēng)罩截面尺寸取決于風(fēng)道截面尺寸和蒸發(fā)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口尺寸，導(dǎo)風(fēng)罩長(zhǎng)度取決于導(dǎo)流幾個(gè)蒸發(fā)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的出風(fēng)。導(dǎo)風(fēng)罩可以有效地改變氣流的方向和大小。依據(jù)本車型風(fēng)道特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以下優(yōu)化方案：

1) 優(yōu)化方案一。如圖7所示，導(dǎo)風(fēng)罩安裝在右側(cè)兩個(gè)蒸發(fā)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的下方，右側(cè)兩個(gè)蒸發(fā)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)向是垂直向下的，經(jīng)過導(dǎo)風(fēng)罩導(dǎo)向之后，風(fēng)向主體會(huì)呈水平向右的趨勢(shì)。

2) 優(yōu)化方案二。如圖8所示，導(dǎo)風(fēng)罩安裝在蒸發(fā)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口中間，只導(dǎo)流左側(cè)第2個(gè)蒸發(fā)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的風(fēng)量。由于只導(dǎo)流一個(gè)蒸發(fā)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的風(fēng)量，所以該方案的導(dǎo)風(fēng)罩長(zhǎng)度只有優(yōu)化方案一的一半，但兩個(gè)優(yōu)化方案中的導(dǎo)風(fēng)罩橫截面相同。

圖6 導(dǎo)風(fēng)罩簡(jiǎn)易模型

圖7 優(yōu)化方案一

圖8 優(yōu)化方案二

優(yōu)化方案仿真結(jié)果如下：

1) 從圖9可知，優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二的編號(hào)1、2出風(fēng)口的風(fēng)速增大，且都達(dá)到了3.4 m/s以上，編號(hào)3、4出風(fēng)口由于導(dǎo)風(fēng)罩的作用，風(fēng)速變小，略低于3 m/s,由于3、4出風(fēng)口空間位置比較近，制冷效果有疊加，兩者的出口風(fēng)速可以適當(dāng)小于3 m/s。

圖9 風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速分布

2) 空調(diào)出風(fēng)口添加導(dǎo)風(fēng)罩后的風(fēng)道流線圖如圖10和圖11所示，圖中黑色方框處展示了導(dǎo)風(fēng)罩的導(dǎo)風(fēng)效果，相對(duì)于圖5初始方案的流線圖，導(dǎo)風(fēng)罩對(duì)應(yīng)蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)向明顯向右偏轉(zhuǎn)(車頭方向)，導(dǎo)風(fēng)效果良好，與圖9中的數(shù)據(jù)相呼應(yīng)。

圖10 優(yōu)化方案一風(fēng)道流線圖

圖11 優(yōu)化方案二風(fēng)道流線圖

3) 風(fēng)道壓力場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化方案一前兩個(gè)蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處的靜壓相對(duì)“初始模型”增大了130 Pa左右，而優(yōu)化方案二空調(diào)出風(fēng)口靜壓無明顯增大。優(yōu)化方案一的導(dǎo)風(fēng)罩流阻偏大，主要原因是導(dǎo)流罩橫截面尺寸偏小，與蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的流通面積不匹配。良好的導(dǎo)風(fēng)罩設(shè)計(jì)一定要保證流通面積的匹配性。

綜合以上因素，優(yōu)化方案二風(fēng)速風(fēng)量分布適宜，導(dǎo)風(fēng)罩流阻無明顯增大，此優(yōu)化方案最佳。實(shí)車生產(chǎn)采用優(yōu)化方案二，實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)顯示CFD仿真分析準(zhǔn)確可靠，風(fēng)速數(shù)據(jù)誤差在10%以內(nèi)，風(fēng)量前后分布均勻，車廂前后無明顯溫差，沒有出現(xiàn)前熱后冷的情況。

2 結(jié)束語

設(shè)計(jì)初期進(jìn)行空調(diào)風(fēng)道CFD仿真分析，能提前預(yù)知并解決空調(diào)制冷問題，縮短樣車設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期；另外針對(duì)歷史訂單車型空調(diào)制冷問題，通過CFD仿真分析也能快速制定整改方案；由于導(dǎo)風(fēng)罩顯著的導(dǎo)流功能，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)整車前后橋配重需求調(diào)整空調(diào)安裝位置，可以提升整車動(dòng)力性能。