【摘要】為解決汽車(chē)空調(diào)出風(fēng)口溫度不均勻和差異性大的問(wèn)題，對(duì)汽車(chē)空調(diào)出風(fēng)口溫度控制曲線(xiàn)進(jìn)行試驗(yàn)和仿真，采用響應(yīng)面優(yōu)化的方法對(duì)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的外邊長(zhǎng)度、里邊長(zhǎng)度和傾斜角度與平均溫度和溫度差進(jìn)行相關(guān)性分析，得出回歸多項(xiàng)式、響應(yīng)面曲線(xiàn)圖和導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明，該方法改進(jìn)了汽車(chē)空調(diào)的溫度控制曲線(xiàn)性能。

主題詞：汽車(chē)空調(diào) 溫度控制曲線(xiàn) 導(dǎo)流板 響應(yīng)面優(yōu)化 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.85" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230233

Improvement of TCC Performance of Automotive Air Conditioner by Deflector Based on Response Surface Optimization

Liu Xiang， Zhu Shuai， Zhu kai

（Xinyang Vocational and Technical college， Xinyang 464000）

【Abstract】To solve the problem of unevenness and large difference in temperature at the air outlet of car air conditioners， temperature control curve of a car air conditioning outlet is simulated and tested. The correlation analysis of the outer length， inner length ard inclination angle of the deflector structure with the awerage temperature and temperature difference is performed by using response surface optimization to derive the regression polynomials， response surface graphs， and the optimal parameter design of the deflector structure. The simulation results show that this method improves the temperature control curve performance of the car air conditioner

Key words： Automobile air conditioner， Temperature control curve， Deflector， Response surface optimization， Structural design

【引用格式】 劉翔， 朱帥， 朱凱. 基于汽車(chē)空調(diào)溫度控制性能提升的導(dǎo)流板響應(yīng)面優(yōu)化分析[J]. 汽車(chē)技術(shù)， 2025（4）： 56-62.

LIU X， ZHU S， ZHU K. Improvement of TCC Performance of Automotive Air Conditioner by Deflector Based on Response Surface Optimization[J]. Automobile Technology， 2025（4）： 56-62.

1 前言

優(yōu)化汽車(chē)空調(diào)的溫度控制性能對(duì)自動(dòng)控溫空調(diào)的研究十分重要，是提高汽車(chē)舒適性和安全性的重要手段[1-2]。楊潔[3]探索了汽車(chē)熱環(huán)境的分布及變化對(duì)乘員的影響并建立乘員熱舒適性預(yù)測(cè)模型。胡楊[4]對(duì)比了3種不同殼體結(jié)構(gòu)對(duì)汽車(chē)空調(diào)溫度性能的影響，對(duì)所有模型內(nèi)部的溫度特性曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比研究，選出具有最佳溫度曲線(xiàn)的空調(diào)模型。王金鳳[5]改進(jìn)了原汽車(chē)空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其部件設(shè)計(jì)，提高了溫度控制與降噪性能。先前研究對(duì)汽車(chē)空調(diào)溫度控制的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚不清晰或優(yōu)化方法較為復(fù)雜，應(yīng)用困難，因此，本文通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)汽車(chē)空調(diào)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，并對(duì)該空調(diào)的溫度控制曲線(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析汽車(chē)空調(diào)的溫度控制性能，采用響應(yīng)面優(yōu)化導(dǎo)流板提升空調(diào)的溫度控制性能。

2 溫度控制曲線(xiàn)試驗(yàn)

2.1 溫度控制曲線(xiàn)采集

汽車(chē)空調(diào)溫度控制是指控制經(jīng)蒸發(fā)器降溫或暖風(fēng)芯體加熱后在殼體內(nèi)部形成混合風(fēng)的溫度。溫度控制曲線(xiàn)（Temperature Control Curve，TCC）是汽車(chē)空調(diào)出風(fēng)口的溫度隨空調(diào)內(nèi)部風(fēng)門(mén)打開(kāi)角度變化的曲線(xiàn)，是評(píng)價(jià)汽車(chē)空調(diào)溫度控制性能的重要依據(jù)。本研究分別對(duì)某汽車(chē)空調(diào)吹臉、吹臉吹腳、吹腳、吹腳除霜和除霜5種模式進(jìn)行試驗(yàn)，得到該空調(diào)的溫度控制曲線(xiàn)。

TCC試驗(yàn)如圖1所示，試驗(yàn)配置狀態(tài)完好的空調(diào)樣件、試驗(yàn)臺(tái)和若干熱電偶等部件。將帶有風(fēng)道的汽車(chē)空調(diào)安裝在TCC試驗(yàn)臺(tái)上，并在進(jìn)風(fēng)口和各個(gè)出風(fēng)口布置4個(gè)熱電偶，監(jiān)測(cè)進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)的平均溫度。

2.2 溫度控制曲線(xiàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

汽車(chē)空調(diào)TCC評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要包括均勻性、差異性、漸進(jìn)性和滯后性[6-9]。均勻性是指同一功能儀表板出風(fēng)口左右溫差不超過(guò)5 ℃，前后排溫差不超過(guò)8 ℃。差異性是指半模式時(shí)2種不同模式出風(fēng)口的溫差值不可過(guò)大，如吹臉吹腳模式下吹臉出風(fēng)口和吹腳出風(fēng)口的溫差應(yīng)在0～10 ℃范圍內(nèi)。漸進(jìn)性是指所有出風(fēng)口的溫度控制曲線(xiàn)在風(fēng)門(mén)由全開(kāi)到全關(guān)的過(guò)程中曲線(xiàn)曲率合適，逐步變化，即混合風(fēng)門(mén)角度每變化10%，溫差不能超過(guò)全程的20%。滯后性是指同一出風(fēng)口，在不同轉(zhuǎn)向時(shí)的同一混合風(fēng)門(mén)位置的出風(fēng)溫度差異不超過(guò)5 ℃，如吹臉模式下在混合風(fēng)門(mén)50%位置處，由混合風(fēng)門(mén)全開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)到50%處與由混合風(fēng)門(mén)全關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)到50%處的溫差不可超過(guò)5 ℃。

2.3 溫度控制曲線(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)控制內(nèi)部風(fēng)門(mén)旋轉(zhuǎn)，依次測(cè)量出吹臉模式、吹臉吹腳模式、吹腳模式、吹腳除霜模式和除霜模式下混合風(fēng)門(mén)由全關(guān)到全開(kāi)（出風(fēng)由冷到熱），再由全開(kāi)到全關(guān)（出風(fēng)由熱到冷）過(guò)程中出風(fēng)口溫度。本文以整模式的吹臉模式和半模式的吹臉吹腳模式為例，得到出風(fēng)口的TCC曲線(xiàn)如圖2、圖3所示。

2.4 溫度控制曲線(xiàn)結(jié)果分析

由圖2可以看出，吹臉模式下均勻性較差，在混合風(fēng)門(mén)開(kāi)度40%～80%附近左右吹臉出風(fēng)口溫差較大，最左側(cè)和中間左側(cè)吹臉出風(fēng)口溫度高于最右側(cè)和中間右側(cè)出風(fēng)口的溫度，溫差最高可達(dá)20 ℃。當(dāng)乘員進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)時(shí)，出風(fēng)口溫度一致性較低，影響車(chē)內(nèi)溫度調(diào)節(jié)；由于溫差過(guò)大漸進(jìn)性不易評(píng)價(jià)；滯后性在要求范圍內(nèi)。從圖3吹腳吹臉模式下的溫度控制曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，存在明顯的溫度均勻性問(wèn)題和差異性問(wèn)題，吹腳出風(fēng)口和吹臉出風(fēng)口的溫差最高可達(dá)20 ℃。

從該試驗(yàn)結(jié)果綜合分析可知該TCC性能均勻性和差異性問(wèn)題較為嚴(yán)重，漸進(jìn)性其次，滯后性較好。因此，為解決該空調(diào)TCC性能的均勻性和差異性問(wèn)題，本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，借助流體仿真，分析空調(diào)內(nèi)部流場(chǎng)情況，對(duì)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，然后通過(guò)響應(yīng)面分析方法確定改善空調(diào)內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使各個(gè)模式下的均勻性和差異性均滿(mǎn)足要求。

3 溫度控制曲線(xiàn)仿真

本文采用STAR-CCM+流場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行仿真模擬，建立完整的幾何模型，將其分割為不同的區(qū)域，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。設(shè)置湍流模擬模型和邊界條件，在區(qū)域連續(xù)體物理模型中選擇三維、定常、分離流、空氣、恒密度、雷諾平均納維－斯托克斯、標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩層模型，壁面采用兩層y+壁面處理。空調(diào)入口處風(fēng)量設(shè)置為質(zhì)量流量入口0.06 kg/s，湍流長(zhǎng)度比例為0.7 mm，湍流強(qiáng)度為0.043 m/s，溫度為0 ℃；出風(fēng)口為壓力出口；暖風(fēng)芯體和蒸發(fā)器為正交各向異性多孔介質(zhì)區(qū)域[10]。對(duì)該模型網(wǎng)格、物理模型和邊界條件設(shè)置完成后依次轉(zhuǎn)動(dòng)混合風(fēng)門(mén)進(jìn)行仿真，按照實(shí)際空調(diào)混合風(fēng)門(mén)位置點(diǎn)，得到對(duì)應(yīng)的12個(gè)仿真數(shù)據(jù)。整理每個(gè)模式下所有出風(fēng)口在各個(gè)位置的平均溫度，即得到仿真的TCC結(jié)果，如圖5、圖6所示。

圖5為吹臉模式下試驗(yàn)與仿真的溫度控制曲線(xiàn)對(duì)比，圖6為吹臉吹腳模式下仿真與試驗(yàn)的溫度控制曲線(xiàn)對(duì)比。從圖中可以看出，各個(gè)出風(fēng)口的溫度高低順序與試驗(yàn)測(cè)得的出風(fēng)口溫度高低順序一致，即仿真與實(shí)際測(cè)試中混合風(fēng)的流動(dòng)狀態(tài)一致，因此，可認(rèn)為T(mén)CC仿真結(jié)果符合要求。

4 導(dǎo)流板優(yōu)化

4.1 導(dǎo)流板響應(yīng)面優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

通過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，針對(duì)TCC性能的均勻性和差異性進(jìn)行優(yōu)化時(shí)最直接有效的方法是改變空調(diào)內(nèi)部的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真云圖對(duì)導(dǎo)流板流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，初步確定可以通過(guò)在導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)中增加擋板改善空調(diào)內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)，加速冷風(fēng)和熱風(fēng)的均勻混合，如圖7所示。已知根據(jù)汽車(chē)空調(diào)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)和裝配要求設(shè)計(jì)：傾斜角度范圍為0～20°；里邊長(zhǎng)度范圍為50～80 mm、外邊長(zhǎng)度范圍為10～35 mm；通過(guò)對(duì)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的3個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面分析，獲得3個(gè)影響因素的優(yōu)先級(jí)并得出多項(xiàng)式回歸預(yù)測(cè)模型，找出對(duì)改善汽車(chē)空調(diào)內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)最合適的設(shè)計(jì)參數(shù)方案。

圖8為導(dǎo)流板在原空調(diào)模型中的流線(xiàn)圖，流經(jīng)暖風(fēng)芯體的熱風(fēng)從導(dǎo)流板下方流入，流經(jīng)蒸發(fā)器的冷風(fēng)從導(dǎo)流板上方流入，為提高仿真效率，本文對(duì)汽車(chē)空調(diào)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化仿真，選取汽車(chē)空調(diào)混合風(fēng)門(mén)在中間位置的冷熱風(fēng)混合時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行仿真。

簡(jiǎn)化后導(dǎo)流板流場(chǎng)區(qū)域模型如圖9所示，參考實(shí)際空調(diào)在該風(fēng)門(mén)狀態(tài)下的冷熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)出口、進(jìn)風(fēng)面積和進(jìn)風(fēng)速度等，忽略后排吹臉流場(chǎng)部分，對(duì)該導(dǎo)流板的對(duì)應(yīng)區(qū)域建立簡(jiǎn)化的流體區(qū)域，并分別設(shè)置0 ℃流速為1.5 m/s的冷風(fēng)入口和100 ℃流速為3 m/s的熱風(fēng)入口，在出風(fēng)口上方設(shè)置壓力出口平面監(jiān)控該出風(fēng)口的質(zhì)量流量和平均溫度，并在該平面的左右對(duì)稱(chēng)位置取相同出風(fēng)面積S1、S2，輸出S1和S2的平均溫度來(lái)評(píng)價(jià)該狀態(tài)下的左右溫度差。

本次優(yōu)化借助Design-Expert試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析軟件，采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化（Box-Behnken Design，BBD）方法，輸入傾斜角度范圍5°～15°、里邊長(zhǎng)度范圍60～80 mm、外邊長(zhǎng)度范圍15～35 mm，軟件自動(dòng)生成中心點(diǎn)數(shù)為5、總試驗(yàn)次數(shù)為17的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的試驗(yàn)方案，如表1所示。

4.2 導(dǎo)流板響應(yīng)面優(yōu)化分析

由表1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)量影響較小，可忽略，通過(guò)Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析，建立平均溫度和溫度差的多元二次回歸方程如下：

[R1=+57.35-0.351A-0.03B-0.22C-" " " " "1.55×10-3AB+0.025AC+8.5×10-4BC]" " （1）

[R2=-14.33+2.083A+0.176B+0.565C+2.4×10-3AB-0.044 6AC-2.55×10-3BC-0.082 3A2-1.24×10-3B2+3.04×10-3C2]" " （2）

對(duì)式（1）進(jìn)行平均溫度響應(yīng)面方差分析，結(jié)果如表2所示。可以看出，模型大于檢驗(yàn)水平（F值）的概率Plt;0.001，表明回歸模型極顯著，可靠性極高；其中單一因素傾斜角度A和外邊長(zhǎng)度C對(duì)響應(yīng)值的影響極顯著（Plt;0.001）；模型失擬項(xiàng)的P值為0.46gt;0.05，表明回歸模型殘差對(duì)響應(yīng)值的影響不顯著。由此證明了該模型符合實(shí)際情況，可以應(yīng)用該模型對(duì)出風(fēng)口平均溫度進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。從表2中看出，模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.908 2，校正系數(shù)為0.853 2，說(shuō)明該模型可以解釋90.8%的試驗(yàn)所得降解率；變異系數(shù)為0.82%；說(shuō)明該模型能較好地反映真實(shí)的試驗(yàn)值，即試驗(yàn)的可靠性較高。

對(duì)式（2）進(jìn)行溫度差響應(yīng)面方差分析，其結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，模型大于F值的概率Plt;0.005，表明回歸模型顯著，可靠性較高；其中單一因素傾斜角度A對(duì)響應(yīng)值的影響極顯著（Plt;0.001）；模型失擬項(xiàng)的P值為0.065 6gt;0.05，表明回歸模型殘差對(duì)響應(yīng)值的影響不顯著。由此證明了該模型符合實(shí)際情況，可以利用該模型對(duì)出風(fēng)口溫度差進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。從表3中看出，模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.918 2，校正系數(shù)RAdj=0.812 9，說(shuō)明模型可以解釋91.8%的試驗(yàn)所得降解率；變異系數(shù)CV值為19.55%，說(shuō)明模型能較好地反映真實(shí)的試驗(yàn)值，試驗(yàn)的可靠性較高。

4.3 導(dǎo)流板響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，利用Design-Expert軟件繪制各因素交互效應(yīng)響應(yīng)曲面圖，如圖10、圖11所示。由圖10可以看出，對(duì)平均溫度影響最大的因素為傾斜角度，其次是外邊長(zhǎng)度，最后為里邊長(zhǎng)度。由圖11可以看出，對(duì)溫度差影響最大的因素為外邊長(zhǎng)度，其次是傾斜角度，最后為里邊長(zhǎng)度。因此，可知在導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需著重注意傾斜角度和外邊長(zhǎng)度，優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

優(yōu)化要求如表4所示，平均溫度R1越大說(shuō)明熱交換效果越好，因此選取“約束”最大值，并適當(dāng)增大范圍，將最大值設(shè)置為60 ℃；溫度差R2越小說(shuō)明均勻性效果越好，因此選取“約束”最小值，并設(shè)置最小溫差為0 ℃。求解后即可得A、B、C對(duì)應(yīng)的最優(yōu)試驗(yàn)值，即傾斜角度A為15°，里邊長(zhǎng)度B為60 mm，外邊長(zhǎng)度C為35 mm，此時(shí)響應(yīng)值平均溫度R1為最大值56.050 4 ℃；溫度差R2為最小值1.381 4 ℃，如表5所示。

為驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，按照優(yōu)化后的條件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，所得結(jié)果為R1=57.04 ℃、R2=1.28 ℃，與模型預(yù)測(cè)值較為接近，表明該模型能較好地預(yù)測(cè)實(shí)際情況。

5 優(yōu)化導(dǎo)流板后TCC分析

圖12為原導(dǎo)流板吹臉模式混合風(fēng)門(mén)半開(kāi)狀態(tài)下的溫度流線(xiàn)云圖，可以看出，原結(jié)構(gòu)的熱風(fēng)向左偏移，使出風(fēng)口的左側(cè)溫度較右側(cè)高，影響了TCC的均勻性。圖13為優(yōu)化后導(dǎo)流板吹臉模式半熱溫度流線(xiàn)圖，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)由于中間部分添加的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，從圖中流線(xiàn)可以看出，熱風(fēng)被導(dǎo)向中間部分，提高了均勻性。

從仿真結(jié)果中可以看出，優(yōu)化后導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)對(duì)提高TCC性能更具顯著效果，因此，繼續(xù)對(duì)優(yōu)化導(dǎo)流板進(jìn)行TCC仿真驗(yàn)證，得出優(yōu)化后的溫度控制曲線(xiàn)，如圖14、圖15所示，對(duì)比圖2、圖3可以看出，導(dǎo)流板優(yōu)化后的TCC性能在均勻性和差異性方面較原狀態(tài)導(dǎo)流板明顯改善，漸進(jìn)性同樣滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以汽車(chē)空調(diào)為研究對(duì)象，從優(yōu)化汽車(chē)空調(diào)內(nèi)部導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)入手，通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化的方法合理設(shè)計(jì)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高了該空調(diào)溫度控制曲線(xiàn)的均勻性和差異性，進(jìn)而提高了該汽車(chē)空調(diào)的溫度控制性能。

優(yōu)化導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)結(jié)合簡(jiǎn)化后的CFD仿真模型，采用BBD響應(yīng)面設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合和三維響應(yīng)曲面圖的繪制，得出對(duì)應(yīng)各因素水平的響應(yīng)值，從中預(yù)測(cè)最優(yōu)的因素設(shè)計(jì)方案。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，TCC性能明顯提高，證明了該優(yōu)化方法和優(yōu)化方案能夠改進(jìn)汽車(chē)空調(diào)溫度控制曲線(xiàn)，提高了該空調(diào)的溫度控制性能。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 王 一）

修改稿收到日期為2023年8月19日