【摘要】汽車空調(diào)HVAC的內(nèi)部氣流受到設計結(jié)構(gòu)狀態(tài)干擾時，其流向、狀態(tài)、壓力等流場形態(tài)會發(fā)生改變，并且會對HVAC風量、噪聲品質(zhì)等產(chǎn)生影響，進而降低用戶的舒適性體驗。文章運用CFD分析方法對某款車型空調(diào)HVAC在設計開發(fā)階段遇到的進風風量降低、葉輪氣動噪聲、蝸殼氣流噪聲3個問題進行設計仿真，通過仿真分析結(jié)果針對氣流干擾部分的結(jié)構(gòu)進行了改善，利用試驗對改善方案進行對比驗證，證明了CFD仿真方法分析的有效性，為空調(diào)HVAC在設計階段的流場性能改善、NVH風噪改善及數(shù)據(jù)定型提供了有益的參考。

CFD（計算流體力學）技術(shù)具有成本低、周期短、可重復等優(yōu)點，適合在前期指導汽車空調(diào)通風系統(tǒng)的設計，因此CFD仿真分析在汽車空調(diào)設計階段非常重要。邢陽等人采用SST兩方程模型通過數(shù)值仿真分析指導空調(diào)HVAC（供熱通風與空氣調(diào)節(jié)）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，通過調(diào)整蒸發(fā)器進氣前段結(jié)構(gòu)（臺階與擋風筋）使蒸發(fā)器通風面速度均勻性指標EAPI得到提升，結(jié)果顯示對單體制冷量的利用率的提高有較大的作用，同時蝸殼擴壓段有效擴壓會增加風機風量，有利于空調(diào)HVAC整體性能的提升。吳金玉通過FLUENT對某款車型的HVAC及風道內(nèi)部的速度場和壓力場進行CFD分析，評價HVAC的結(jié)構(gòu)設計是否合理，空氣流過時是否會產(chǎn)生偏流或渦旋等不利現(xiàn)象，分析風道內(nèi)部結(jié)構(gòu)對風量分配和送風量的影響并提出優(yōu)化方向。葉立對HVAC制熱除霜模式進行CFD模擬分析，并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，結(jié)果相互吻合。通過分析模擬結(jié)果的流線、速度和壓力圖，針對蒸發(fā)器及蒸發(fā)器前流道與進口位置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后流場均勻性及渦流問題得到有效改善，空調(diào)除霜效果得到增強，同時能耗有所下降。

上述分析表明，運用仿真技術(shù)能夠?qū)照{(diào)HVAC結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供重要的幫助。本文對一款空調(diào)HVAC設計過程中的問題進行分析判斷及結(jié)構(gòu)設計改善，對比改善前后的仿真結(jié)果，可幫助設計人員發(fā)現(xiàn)影響設計指標的原因，從而有助于及時做出結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善，為HVAC開發(fā)數(shù)據(jù)凍結(jié)提供有效的指導。

1 仿真改善設計目的

汽車空調(diào)HVAC內(nèi)部風流的傳遞路徑依次為進風口、葉輪、電機、調(diào)速模塊、濾網(wǎng)、蒸發(fā)器芯體、暖風器芯體、導風風門、各模式風口，開啟空調(diào)后，風流經(jīng)過這些部件后，風口的流向、氣體的壓力等情況受到部件結(jié)構(gòu)的作用或干擾，將使氣流的流向、狀態(tài)、壓力等發(fā)生改變。在HVAC內(nèi)部，氣流發(fā)生改變，將最終影響HVAC發(fā)出的氣流噪聲、噪聲品質(zhì)、出風分配比例、出風口表面氣流均勻性等設計品質(zhì)指標。本文所述的某款車型空調(diào)HVAC在設計開發(fā)階段遇到了類似問題，運用CFD數(shù)值模擬分析的目的，是為了通過仿真手段快速找出引發(fā)問題的原因，并解決問題。

2 仿真分析軟件的選擇及設置

2.1 軟件工具的選擇

在整個項目中，使用了如下軟件工具：Hypermesh（幾何處理及面網(wǎng)格生成）、Tgrid（體網(wǎng)格生成）、Fluent（吹面舒適性的計算）。

2.2 CFD分析計算采用商用軟件Fluent完成

采用商用軟件Fluent進行CFD分析計算：計算采用有限體積法（FVM），計算中速度壓力之間的關(guān)系采用SIMPLE算法完成，采用高質(zhì)量的四面體計算網(wǎng)格，對于N-S方程的求解采用基于壓力的隱式格式。

2.3 物理模型和網(wǎng)格劃分

空調(diào)系統(tǒng)HVAC計算模型如圖1所示，由進風箱、風機、空調(diào)濾芯、蒸發(fā)器芯體及空調(diào)殼體組成，模型對空調(diào)HVAC結(jié)構(gòu)中小于5 mm的圓角進行去圓角簡化處理，空調(diào)濾芯及蒸發(fā)器模型簡化為多孔介質(zhì)。為了確保HVAC內(nèi)部風道流場及模擬分析的質(zhì)量，對風機、出風風道、擋風玻璃劃分的網(wǎng)格加密；前處理軟件采用Hypermesh軟件，網(wǎng)格生成軟件采用Hypermesh+gambit+Tgrid 3種軟件組合，計算軟件使用Fluent軟件。模型中采用混合網(wǎng)格單元，總共生成9 057 823網(wǎng)格單元。工況設定如下：①Inlet（壓力入口），入口壓力設置為0 Pa；②Outlet（壓力出口），出口壓力設置為0 Pa；③12 V、13.5 V兩種工況下的風機轉(zhuǎn)速分別為3 680 r/min和4 030 r/min。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)HVAC計算模型圖

3 問題分析及結(jié)果對比

3.1 進風口增加格柵對風量的影響

3.1.1 問題描述

為保持車內(nèi)空氣新鮮、干燥，使車內(nèi)人員保持清醒、車窗不結(jié)霜和霧，汽車空調(diào)HVAC會設置外循環(huán)進風口用于換氣，設計上為了不影響出風口風量、減小進氣壓力，一般空調(diào)HVAC外循環(huán)風口的開口大小需不小于空調(diào)HVAC的出風口大小，以本文中的空調(diào)HVAC為例，外循環(huán)進風口的開口大小為400 mm×200 mm。外循環(huán)進風口和車外相通，車輛停在戶外時，外循環(huán)進風口開口尺寸較大，而且其連接的風道處正好形成一個窩洞，存在老鼠等從車身排水管爬入，造成空調(diào)HVAC的風機風門損壞、內(nèi)部臟污等問題的風險，此問題引起過多起客戶投訴維修案例。為了解決此問題，在設計上需考慮在進風口處增加一個14 mm×14 mm的防鼠格，但又不能因為增加的防鼠格遮擋造成空調(diào)HVAC進風風阻明顯下降及風量降低。因此，運用CFD進行仿真模擬進行對比分析。

3.1.2 模擬值校正

在CFD仿真分析中，考慮工程效率及計算算力資源有限，通常對幾何模型局部細節(jié)進行簡化處理，同時湍流計算模型中對渦流耗散過程的簡化，以及流固壁面剪切力對計算結(jié)果的影響，導致仿真計算結(jié)果會存在一定誤差，因此需對試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果進行對比以考察仿真結(jié)果存在的誤差是否在工程可接受范圍內(nèi)。本文對比了全冷吹面模式風量計算值與試驗值（見表1）：仿真計算值比試驗值大，仿真值與試驗值偏差較小，兩者最大偏差為2%，所以認為計算所選數(shù)學模型、計算方法及邊界條件的設置是合理的，仿真結(jié)果是可靠的。

表1 全冷吹面模式風量計算值與試驗值對比

3.1.3 壓降結(jié)果分析對比

進風箱壓降計算值見表2。由表2可知，在12 V電壓情況下，外循環(huán)增加格柵，進風箱壓降增大20 Pa，增大比例為10.2%；在13.5 V電壓情況下，外循環(huán)增加格柵，進風箱壓降增大25 Pa，增大比例為10.7%。

表2 進風箱壓降計算值

3.1.4 風量結(jié)果分析及對比

空調(diào)HVAC風量計算值見表3。由表3可以看出，在12 V電壓情況下，外循環(huán)增加格柵，空調(diào)HVAC風量降低12 m3/h，降低比例為2.3%；在13.5 V電壓情況下，外循環(huán)增加格柵，空調(diào)HVAC風量降低19 m3/h，降低比例為3.3%。

表3 空調(diào)HVAC風量計算值

3.1.5 校正結(jié)果分析

一是通過全冷吹面模式風量仿真計算值與試驗值進行對比驗證可知，此仿真模型應用于流場風量分析，計算結(jié)果對比試驗結(jié)果誤差最大為2%，滿足工程化應用5%的需求，可以實現(xiàn)對空調(diào)HVAC設計的參數(shù)優(yōu)化指導。二是增加外循環(huán)格柵結(jié)構(gòu)，在最大鼓風機轉(zhuǎn)速下，HVAC進風段壓降增大比例為10.7%，空調(diào)HVAC整體風量下降3.3%，考慮到增加進口格柵對空調(diào)HVAC運行穩(wěn)定性及對空調(diào)HVAC的風量影響較小，建議在進風箱進風口增加此格柵結(jié)構(gòu)。

3.2 風機葉輪進口端的氣流噪聲的改善

3.2.1 問題描述

低速氣流進入鼓風機進氣風道內(nèi)，受到高速旋轉(zhuǎn)葉片的作用力后變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)氣流，在離心力的作用下，氣流進入葉輪內(nèi)部葉片通道并向葉輪外側(cè)流動，并在葉輪外側(cè)產(chǎn)生高速高壓氣流，由于葉輪上方與蝸殼殼體在配合上存在一定間隙，葉輪外側(cè)高壓氣流通過此間隙向葉輪內(nèi)側(cè)低壓區(qū)流動，這部分流動的氣流與葉輪進氣口氣流合流，并且在葉輪葉片上端內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生較大氣流速度，而此處葉片拐角角度較小，導致在葉片拐角區(qū)域形成復雜的高速紊流，在高速紊流與高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片表面共同作用下產(chǎn)生局部較大速度梯度及渦流。由于高速渦流是產(chǎn)生氣動噪聲的主要原因，因此對此處局部流場進行CFD優(yōu)化可以有效降低鼓風機氣動噪聲水平。

3.2.2 數(shù)據(jù)改善對比

由于葉輪葉片上端內(nèi)側(cè)拐角的角度較小，流動氣流會產(chǎn)生較高的氣流速度和速度梯度，為消除這種不利的高速氣流及降低速度梯度，考慮增大葉輪葉片上端拐角弧度，可以有效減小此處拐角表面氣流行程，降低此處氣流速度及速度梯度，有利于改善此處氣動噪聲水平。

3.2.3 改善前后仿真結(jié)果對比

改善后，葉輪葉片上端拐角弧度增大，該區(qū)域氣流流速明顯減小及速度梯度明顯降低，有利于減小此處因高速紊流產(chǎn)生的氣動噪聲。說明通過CFD分析顯示葉輪局部較大速度氣流梯度及渦流，通過增大葉片上端拐角弧度，可以有效降低該區(qū)域氣流流速及速度梯度，有利于減小此處因高速紊流產(chǎn)生的氣動噪聲。

3.3 鼓風機蝸殼的氣流噪聲的改善

3.3.1 問題描述

鼓風機進口段將氣流從進口導入葉輪中間進口區(qū)域，在進口至葉輪入口段形成負壓區(qū)域，氣流經(jīng)過葉輪葉片做功后壓力及動能增大，氣流向外側(cè)流出并經(jīng)過蝸殼導向后方HVAC通道。鼓風機進口處表面壓力的分布情況：在靠近鼓風機出口蝸舌的流道位置出現(xiàn)明顯的低壓區(qū)域，形成較大的壓力降，不僅造成能量損失，而且容易產(chǎn)生振動和噪音。這主要是因為氣流在靠近蝸舌的蝸殼中產(chǎn)生較大的壓力差，在大流量時會出現(xiàn)氣流由蝸殼返回至葉輪進口區(qū)域，導致該區(qū)域及葉輪進口部位的氣流流動復雜，在此處形成較大速度的渦流，從而產(chǎn)生局部較低壓力區(qū)域，因此需對該處流場進行優(yōu)化。

3.3.2 數(shù)據(jù)改善對比

通過在葉輪進口低壓區(qū)附近蝸殼表面增加月牙形擋板結(jié)構(gòu)阻止該處葉輪外側(cè)氣流回流至葉輪進口，降低該處葉輪進口氣流速度及減少該處渦流的形成，減少進口低壓區(qū)。

3.3.3 改善樣件前后試驗結(jié)果對比

為驗證優(yōu)化方案結(jié)果，按仿真優(yōu)化方案，制作一套快速成型件，用以控制蝸殼處的氣流并進行實際NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）測試對比，對比優(yōu)化前后的噪聲頻譜可以看出，優(yōu)化后的噪聲幅值在125～200 Hz的頻率范圍均有所降低，特別是在130 Hz處峰值得到有效削減，峰值下降約15 dB。同時，主觀評價的結(jié)果也表明，實施該方案后，氣流轟鳴聲得到明顯改善。

3.3.4 氣流噪聲改善結(jié)果分析

一是通過對鼓風機CFD仿真結(jié)果進行分析，在鼓風機進口處表面壓力分布中出現(xiàn)明顯的低壓區(qū)域，形成較大的壓力梯度，分析此處流場結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生振動和噪音的原因。通過在葉輪進口低壓區(qū)附近蝸殼表面增加月牙形擋板阻止該處葉輪外側(cè)氣流回流至葉輪進口，降低該處葉輪進口氣流速度及減少該處渦流形成，從而減少渦輪進口低壓區(qū)域，達到降低該處氣動噪聲的目的。

二是通過開展NVH試驗測試對比，實驗結(jié)果表明：優(yōu)化后的噪聲幅值在125～200 Hz的頻率范圍均有所降低，特別是在130 Hz處峰值得到有效削減，峰值下降約15 dB。同時，主觀評價的結(jié)果也表明，實施該方案后，空調(diào)鼓風機的噪聲改善明顯。通過CFD仿真分析、試驗分析與驗證、主觀評價，對該優(yōu)化方案進行了一個系統(tǒng)的研究與驗證，試驗結(jié)果與CFD仿真結(jié)果具有一致性。

4 結(jié)束語

本文運用CFD數(shù)值模擬分析技術(shù)對空調(diào)HVAC在開發(fā)設計階段遇到的進風風量降低、葉輪氣動噪聲、蝸殼氣流噪聲3個問題展開仿真模型分析，通過分析問題原因進行了數(shù)據(jù)優(yōu)化及試驗驗證，仿真對比結(jié)果及試驗測試結(jié)果表明，3個問題的優(yōu)化方案有效，可為后續(xù)HVAC氣動噪聲優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設計定型提供參考。

作者：劉曉宇

東風柳州汽車有限公司

文章來源：汽車NVH之家