[摘 要]本文提出通過風(fēng)阻系數(shù)代替實際風(fēng)道來進行空調(diào)箱流場三維仿真。在實際項目開發(fā)過程中，由于整車布置的不確定性，導(dǎo)致主機廠無法提供準確的風(fēng)道數(shù)據(jù)，導(dǎo)致CFD無法對空調(diào)箱的風(fēng)量分配及總風(fēng)量進行仿真分析。所以，本文通過將風(fēng)道簡化成多孔介質(zhì)，并通過風(fēng)阻系數(shù)來設(shè)定風(fēng)道的背壓，進行三維仿真計算，為空調(diào)箱性能優(yōu)化提供參考性建議，縮短項目開發(fā)周期。

[關(guān)鍵詞]空調(diào)箱；風(fēng)阻系數(shù)；三維仿真

中圖分類號：U463.851 " 文獻標志碼：A " " 文章編號：1003—8639（2023）07

Application of duct drag coefficient in the development stage of HVAC

Wang Dajian Wang Hao " Zhang Qian

（Nanjing Xiezhong Auto-Airconditioner Group Co.，Ltd ）

Abstract： This paper proposes to use the wind resistance coefficient instead of the actual air duct to carry out the three-dimensional simulation of the flow field of the air conditioning tank. In the actual project development process，due to the uncertainty of vehicle layout，the Oems cannot provide the prepared air duct data，which leads to the failure of CFD to simulate and analyze the air volume distribution and total air volume of the air conditioning box. Therefore，this paper simplifies the air duct into porous media，sets the back pressure of the air duct through the wind resistance coefficient，and carries out three-dimensional simulation to calculate，providing reference suggestions for the performance optimization of the air conditioning box and shortening the project development cycle.

收稿日期：2022-11-28

作者簡介：王大?。?980—），男，主要從事汽車熱管理系統(tǒng)相關(guān)研發(fā)工作，研究方向為HVAC總成性能分析與設(shè)計優(yōu)化。

1 "引言

目前由于汽車市場的競爭越來越激烈，各個車企對于新車型開發(fā)的周期要求也越來越短，導(dǎo)致汽車空調(diào)的開發(fā)周期被大大縮短了。由于開發(fā)周期的縮短，之前的開發(fā)經(jīng)驗及開發(fā)計劃不能滿足時間節(jié)點的要求，各個工作需要同步進行，進而也提高了開發(fā)的進度。

空調(diào)箱開發(fā)的傳統(tǒng)流程基本如下：①根據(jù)整車功能配置，制定空調(diào)系統(tǒng)電器架構(gòu)；②根據(jù)項目主計劃及空調(diào)系統(tǒng)配置表，編制系統(tǒng)開發(fā)計劃；③根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)目標及整車產(chǎn)品參數(shù)，計算空調(diào)各性能負荷；④根據(jù)配置表及性能目標，提供預(yù)選供應(yīng)商。在汽車空調(diào)開發(fā)中，需要滿足很多性能目標，這里最重要的就是汽車空調(diào)總風(fēng)量及風(fēng)量分配。這兩個性能指標與汽車乘員艙舒適性有很大關(guān)聯(lián)，所以解決總風(fēng)量、風(fēng)量分配、內(nèi)部流場問題是汽車空調(diào)開發(fā)過程中最基本也是最重要的一項任務(wù)。在項目定點后，由于整車布置的不確定，主機廠無法提供風(fēng)道凍結(jié)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致空調(diào)箱無法做風(fēng)量分配試驗及仿真。所以如何在主機廠未提供風(fēng)道的情況下對空調(diào)箱性能進行CFD仿真分析，成為各CFD專業(yè)人員研究課題。

2 "風(fēng)阻系數(shù)

風(fēng)阻系數(shù)是通過風(fēng)洞實驗和下滑實驗所確定的一個數(shù)學(xué)參數(shù)，用它可以計算出汽車在行駛時的空氣阻力。風(fēng)阻系數(shù)的大小取決于汽車的外形。風(fēng)阻系數(shù)愈大，則空氣阻力愈大。風(fēng)阻系數(shù)本質(zhì)是描述汽車在行駛過程中的空氣阻力，氣流在風(fēng)道里流動阻力與汽車在空氣中行駛的空氣阻力原理類似，所以引出風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)來描述風(fēng)道的阻力特性。

主機廠雖然無法提供風(fēng)道的凍結(jié)數(shù)據(jù)，但是卻能夠提供各風(fēng)道的風(fēng)阻設(shè)計標準，所以CFD將通過風(fēng)道模擬器來代替實際風(fēng)道，而風(fēng)道模擬器的本質(zhì)就是一個類似于芯體的多孔介質(zhì)，通過給予多孔介質(zhì)參數(shù)來模擬風(fēng)道背壓。

3 "風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)計算

風(fēng)阻系數(shù)計算公式：

單風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)：R=Pa/[（L/s）^2]

多風(fēng)道總風(fēng)阻系數(shù)：R_總=1/（（1/√（R_1 ）+1/√（R_2 ）+1/√（R_3 ）+…）^2）

根據(jù)主機廠提供的風(fēng)道風(fēng)阻設(shè)計標準計算各風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)及各模式總風(fēng)阻系數(shù)。風(fēng)阻系數(shù)計算結(jié)果見表1。

表1中，設(shè)計背壓及風(fēng)量由主機廠提供，風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)根據(jù)公式計算得到，在得到各風(fēng)道的風(fēng)阻系數(shù)后，還需要計算各個模式的總風(fēng)阻系數(shù)，總背壓計算結(jié)果如表2所示。

在計算出每個風(fēng)道的風(fēng)阻系數(shù)后，下一步就是如何將風(fēng)阻系數(shù)轉(zhuǎn)換到仿真軟件中去計算。我們知道starccm+軟件中芯體的背壓是通過參數(shù)等效的，而風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)也是一個和背壓相關(guān)的量，所以探究一下如何將風(fēng)道的風(fēng)阻系數(shù)等效到芯體參數(shù)，進而用芯體來模擬風(fēng)道的背壓。

其中，starccm+中芯體的背壓計算公式為：P=aV^2+bV，風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)計算公式為：P=R×（L/s）^2，為了將二者聯(lián)系起來，這里取b=0，所以P=aV^2，將風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)公式帶入后得到：P=〖10〗^6 〖×R×A^2 V〗^2，a=〖10〗^6×R×A^2，starccm+中芯體的粘性阻力系數(shù)PI=a/芯體厚度，至此，風(fēng)道等效成芯體工作完成，下一步即可進行仿真計算。

3.1 "仿真模型搭建

吹面模式仿真模型如圖1所示。橙色區(qū)域即為風(fēng)道模擬器，在軟件中用多孔介質(zhì)代替，空調(diào)箱出口處拉伸了300mm，模擬風(fēng)道長度，目的是用來混風(fēng)，這樣流場也更加接近實際。

3.2 "仿真結(jié)果分析

第1步：對比風(fēng)道仿真風(fēng)阻值與理論風(fēng)阻值的誤差，判斷此方法是否可行。單風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)結(jié)果對比見表3。

從仿真結(jié)果可以看出，仿真得到的風(fēng)道模擬器風(fēng)阻與通過風(fēng)阻系數(shù)理論計算出的風(fēng)道風(fēng)阻誤差基本在3%左右，誤差較小，可以認為在沒有完整風(fēng)道數(shù)據(jù)前，CFD仿真計算可以通過風(fēng)道模擬器來代替實際風(fēng)道。

第2步：通過模擬器代替實際風(fēng)道來進行各種CFD仿真計算。

從風(fēng)量分配仿真分析結(jié)果（圖2）可以看出，通過模擬器得到的風(fēng)量分配和通過實際風(fēng)道得到的風(fēng)量分配誤差基本在1%左右，所以通過模擬器代替風(fēng)道在CFD仿真計算中是可行的，精度也是可以滿足要求的。

在空調(diào)箱設(shè)計階段，有些項目的前吹腳風(fēng)道是由空調(diào)廠家提供，由于前吹腳風(fēng)道性能直接關(guān)乎駕駛員駕駛體驗，所以各車企對前吹腳性能要求也比較高。在沒有整車風(fēng)道的情況下，CFD也需要對前吹腳風(fēng)道性能進行評估，例如，前排吹腳風(fēng)阻、前排吹腳導(dǎo)向性及風(fēng)速覆蓋率、前排吹腳各風(fēng)口的風(fēng)量分配、吹腳出風(fēng)口風(fēng)速等。吹腳性能評估仿真模型如圖3所示。

在吹腳性能評估仿真分析時，前吹腳兩側(cè)風(fēng)量各為總風(fēng)量的22%，所以在沒有其他風(fēng)道的情況下，必須用模擬器來代替其他風(fēng)道，這樣才能精確地得到前吹腳的風(fēng)量分配是否滿足工況要求，然后才能進行仿真分析來優(yōu)化前吹腳風(fēng)道。優(yōu)化前后的腳面速度分布圖如圖4所示。

從圖4可以看出，優(yōu)化后的腳面速度更加均勻，腳面風(fēng)速也得到提升，駕駛員駕駛體驗得到改善。

4 "結(jié)論

本文通過對實際單風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)仿真結(jié)果與理論值對標，二者誤差基本在5%以內(nèi)，CFD認為用風(fēng)阻系數(shù)代替風(fēng)道風(fēng)阻的方案是可行的，因此可進一步用風(fēng)阻系數(shù)代替風(fēng)道進行風(fēng)量分配仿真、吹腳性能評估及內(nèi)部流場分析，CFD認為用風(fēng)阻系數(shù)代替風(fēng)道進行空調(diào)箱各項性能仿真也是可行的，仿真結(jié)果可以為結(jié)構(gòu)工程師提供參考，大大降低了樣件的制作成本、人力成本及時間成本，對于縮短項目開發(fā)周期有著重要意義。

（編輯 "凌 "波）