【論文分享】基于 CFD 的某車型頂蒸出風(fēng)均勻性研究
隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)汽車舒適性的要求越 來(lái)越高，乘員艙的降溫效果成為評(píng)價(jià)乘員艙舒適性 的一個(gè)重要指標(biāo) [1] 。一般情況下，轎車只擁有一 套空調(diào)系統(tǒng)就能滿足降溫需求，對(duì)于尺寸較大的車 型如大型 SUV、MPV 等，為了更好地保證乘員艙 舒適性，通常會(huì)增加一套頂蒸空調(diào)系統(tǒng)（Heating，Ventilation and Air Conditioning，HVAC），HVAC 位于后輪轂包位置，風(fēng)管位于 C 柱（或 D 柱）和頂 棚內(nèi)，出風(fēng)口位于頂棚位置；由于受到頂棚空間限 制，風(fēng)管方向與風(fēng)口方向處于互為垂直的結(jié)構(gòu)，風(fēng) 口位置會(huì)存在較大的風(fēng)口空腔，氣流通過(guò)風(fēng)口空腔 時(shí)容易形成渦流。頂蒸風(fēng)管不同于前吹面風(fēng)管，氣 流從風(fēng)管進(jìn)入風(fēng)口后，在風(fēng)口空腔中要經(jīng)過(guò) 90°向 轉(zhuǎn)角才能吹入乘員艙，這會(huì)出現(xiàn)風(fēng)口出風(fēng)不均勻的 現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)風(fēng)口一半以上區(qū)域無(wú)風(fēng)的 現(xiàn)象，從而導(dǎo)致乘員艙整體制冷效果不佳，影響乘 員艙舒適性以及駕乘體驗(yàn) [2] 。
龔繼如 [3] 通過(guò)仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方式分析了 風(fēng)道壓力對(duì)空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)均勻性的影響，但并未研 究風(fēng)口結(jié)構(gòu)對(duì)出風(fēng)均勻性的影響。王愛斐等 [4] 探究 了軌道交通車輛空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)其整體送風(fēng)均勻性 的影響，但并未研究單個(gè)風(fēng)口出風(fēng)均勻性。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，這樣前期無(wú) 法有效地評(píng)估對(duì)應(yīng)方案下風(fēng)口的出風(fēng)均勻性，且加 大了開發(fā)的周期和成本。本文通過(guò) CFD 仿真分析對(duì) 風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化，有效地提升了出風(fēng)口的均勻性，大 大縮短了開發(fā)周期，最后通過(guò)樣件裝車試驗(yàn)方法對(duì) 最終狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案能有效解決風(fēng)口均 勻性差的問題。
某車型頂蒸風(fēng)口出風(fēng)均勻性較差，甚至?xí)霈F(xiàn) 風(fēng)口一半以上區(qū)域無(wú)風(fēng)的現(xiàn)象，駕乘體驗(yàn)不滿足要 求。應(yīng)車企要求，對(duì)該車的風(fēng)口出風(fēng)均勻性進(jìn)行優(yōu)化。
該車為 7 座大型 SUV，為保證后兩排乘員的舒 適性，頂蒸風(fēng)口采用前后各兩個(gè)風(fēng)口的布置方式， 風(fēng)管方向和風(fēng)口方向互相垂直，風(fēng)管分析模型如圖 1 所示，風(fēng)口的結(jié)構(gòu)及形成的空腔如圖 2 所示。
參考空調(diào)前排吹面風(fēng)口的出風(fēng)均勻性統(tǒng)計(jì)值并 與相關(guān)工程師進(jìn)行討論，確定本次頂蒸風(fēng)口出風(fēng)均 勻性的優(yōu)化目標(biāo)如下。
（1）針對(duì)某一風(fēng)口，均勻性系數(shù)≥ 0.7。
（2）風(fēng)口被格柵葉片劃分為多個(gè)出風(fēng)間隙依次 為 1、2 風(fēng)口（圖 3），每個(gè)出風(fēng)間隙的平均風(fēng)速與 整個(gè)風(fēng)口平均風(fēng)速的差值不超過(guò) 20%。
（1）主觀感受各個(gè)區(qū)域風(fēng)速度，出風(fēng)是否均勻。
（2）同一風(fēng)口均分為左、中、右3個(gè)區(qū)域（圖4）， 每個(gè)區(qū)域隨機(jī)測(cè)量 3 次有效值，取平均值記為該區(qū) 域的平均風(fēng)速。
（3）將上述各區(qū)域的平均風(fēng)速取平均值記為本 次測(cè)量整個(gè)風(fēng)口的平均風(fēng)速；每個(gè)區(qū)域的平均風(fēng)速 與整個(gè)風(fēng)口的平均風(fēng)速差值保持在 20% 以內(nèi)。
為保證計(jì)算精度，處理模型時(shí)盡量保證模型的完整性，以及保留乘員艙中所有部件，包括全部 格柵葉片、風(fēng)口、頂棚、風(fēng)管等。將整個(gè)乘員艙及 HVAC、風(fēng)管、風(fēng)口處理為完整的封閉的計(jì)算域， 且各個(gè)風(fēng)口區(qū)域 50 mm 范圍內(nèi)的頂棚數(shù)據(jù)不做簡(jiǎn) 化處理；網(wǎng)格尺寸設(shè)置為 1 ～ 16 mm，對(duì)風(fēng)管、 HVAC、風(fēng)口及風(fēng)口直吹段區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密；對(duì) 風(fēng)管、風(fēng)口、HVAC 進(jìn)行邊界層設(shè)置，最終面網(wǎng)格 數(shù)量為 2 360 412 個(gè)，體網(wǎng)格總數(shù)量為18 274 694 個(gè)；整個(gè)降溫模型為內(nèi)循環(huán)。
入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，前 HVAC 入口質(zhì)量 流量為 420 m3 /h，后 HVAC 入口質(zhì)量流量為 210 m3 /h， 出口設(shè)置為壓力出口。
4 基礎(chǔ)模型和初版模型分析結(jié)果
本文主要研究風(fēng)口出風(fēng)均勻性，基礎(chǔ)模型分析 結(jié)果顯示風(fēng)口 1 出風(fēng)均勻性最差，因此，將風(fēng)口 1 作為研究對(duì)象進(jìn)行分析優(yōu)化，如圖 5 所示。
初版模型分析結(jié)果顯示，風(fēng)口 1 的出風(fēng)均勻性 期的優(yōu)化不利。系數(shù)為 0.61 不滿足目標(biāo)值 0.7，且風(fēng)口平均風(fēng)速為 3.9 m/s。風(fēng)口左側(cè)間隙風(fēng)速普遍在2 m/s以下（圖6）， 不滿足每個(gè)出風(fēng)間隙的平均風(fēng)速與整個(gè)風(fēng)口平均風(fēng) 速的差值不超過(guò)20%的要求；整個(gè)風(fēng)口均勻性較差， 需要對(duì)出風(fēng)均勻性進(jìn)行優(yōu)化。
如圖 6 和圖 7 所示，風(fēng)口 1 出風(fēng)很不均勻，出 現(xiàn)同一風(fēng)口一半有風(fēng)一半無(wú)風(fēng)的現(xiàn)象，與前期車企 反饋的問題一致。由于風(fēng)管的布置空間有限，風(fēng)管 方向與風(fēng)口方向互為垂直，風(fēng)口位置存在較大的風(fēng) 口空腔，氣流在流經(jīng)空腔時(shí)，會(huì)在空腔內(nèi)形成渦流 （圖 8），導(dǎo)致氣流不能從風(fēng)口均勻地流入乘員艙， 所以需要對(duì)空腔進(jìn)行優(yōu)化。
原狀態(tài)的風(fēng)口結(jié)構(gòu)如圖 9 所示，只有一條筋用 于調(diào)整風(fēng)口的風(fēng)量，由于筋未將風(fēng)口完全分割成獨(dú) 立的風(fēng)口，導(dǎo)致風(fēng)口空腔并不是獨(dú)立的空腔，對(duì)后期的優(yōu)化不利。
按圖 10 所示的方式調(diào)整出風(fēng)口空腔的結(jié)構(gòu)， 將位置 1 處的筋打通，使風(fēng)口處形成一個(gè)完整獨(dú)立 的空腔，使風(fēng)口的出風(fēng)方式受干擾因素減少；通過(guò) 不斷的優(yōu)化調(diào)整，最終在位置 2 處加 1 個(gè)寬度為 20 mm，長(zhǎng)度為 50 mm，深度為 6 ～ 14 mm 的楔形凸臺(tái)，以改變空腔結(jié)構(gòu)和渦流狀態(tài)；在位置 3 處加 1 個(gè)寬度為 10 mm，長(zhǎng)度為 20 mm，深度為 5 mm 的凸臺(tái)，提前下壓一部分氣流進(jìn)入乘員艙，防止渦 流減弱或消失后，氣流完全從風(fēng)口的遠(yuǎn)端進(jìn)入乘員 艙的現(xiàn)象。
優(yōu)化模型分析結(jié)果顯示，風(fēng)口 1 的出風(fēng)均勻性 系數(shù)為 0.73，滿足目標(biāo)值 0.7，且風(fēng)口平均風(fēng)速為 4.1 m/s，風(fēng)口各個(gè)間隙風(fēng)速超過(guò)平均風(fēng)速的區(qū)域均 在一半以上，如圖 11 和表 1 所示。風(fēng)速均勻地從 風(fēng)口的各個(gè)格柵間隙進(jìn)入乘員艙，如圖 12 所示。隨著空腔結(jié)構(gòu)的改變，渦流強(qiáng)度大大減弱，如圖 13 所示，能夠使氣流從整個(gè)風(fēng)口均勻地進(jìn)入乘員艙。
試驗(yàn)測(cè)量風(fēng)口風(fēng)速時(shí)將風(fēng)口分為左、中、右 3 個(gè)區(qū)域，如圖14所示，分別測(cè)量3個(gè)區(qū)域的出風(fēng)速度， 如圖 15 所示，且每個(gè)區(qū)域隨機(jī)測(cè)量 3 次，取平均值。
優(yōu)化前對(duì)原車使用風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)口 1 處的出風(fēng) 風(fēng)速；測(cè)得左、中、右3個(gè)區(qū)域的風(fēng)速分別為0.8 m/s、 2.9 m/s、4.3 m/s（表 2），主觀感受 3 個(gè)區(qū)域風(fēng)速 差異較大，左側(cè)基本感受不到風(fēng)，均勻性差。
優(yōu)化后制作快速樣件并裝車，使用風(fēng)速儀測(cè)量 風(fēng)口 1 的出風(fēng)速度；測(cè)得左、中、右 3 個(gè)區(qū)域的風(fēng) 速分別為 2.8 m/s、3.1 m/s、2.6 m/s（表 3）；測(cè)得 3 個(gè)區(qū)域的風(fēng)速差異較小，能夠感受到整個(gè)風(fēng)口都 有較大的風(fēng)吹出，且各區(qū)域的平均風(fēng)速都在實(shí)測(cè)風(fēng) 口平均風(fēng)速的 20% 以內(nèi)，滿足風(fēng)口的設(shè)計(jì)要求，能 夠得到很好的駕乘體驗(yàn)。
實(shí)測(cè)的平均風(fēng)速都比分析的平均風(fēng)速低，主要 是由于風(fēng)速葉輪測(cè)速儀尺寸較大，出風(fēng)口較窄，測(cè)試時(shí)出風(fēng)口不能有效地覆蓋整個(gè)風(fēng)速儀，測(cè)試的風(fēng) 速比實(shí)際的風(fēng)速偏低。但通過(guò)各個(gè)區(qū)域的平均風(fēng)速 及整個(gè)風(fēng)口的平均風(fēng)速間的相互對(duì)比可以判定出風(fēng) 的均勻性。
本文通過(guò)對(duì)某車型頂蒸風(fēng)口出風(fēng)均勻性優(yōu)化分 析，在風(fēng)口空腔內(nèi)加凸臺(tái)的優(yōu)化方案很好地改善了 風(fēng)口的出風(fēng)均勻性，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié) 果表明，優(yōu)化后的結(jié)果能夠滿足設(shè)計(jì)要求。在整車 開發(fā)前期采用這種在風(fēng)口空腔內(nèi)加凸臺(tái)的方法可以 快速有效地改善風(fēng)口出風(fēng)均勻性，縮短研發(fā)周期。該優(yōu)化方法可以作為同類車型頂蒸吹面的參考。
文章來(lái)源：汽車CFD熱管理
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