鄒平,牛貝貝,張成.CFD方法的汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].汽車(chē)零部件,2021(08):55-58.

摘要: 

利用 CFD 方法對(duì)某車(chē)型空調(diào)風(fēng)道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析, 通過(guò)對(duì)其流動(dòng)過(guò)程的分析尋找出空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)中存在的風(fēng)量 分配不均等問(wèn)題, 對(duì)汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明: 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)減少了流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的渦流, 重新分配出風(fēng)口風(fēng)量使 其更加均勻, 空調(diào)風(fēng)道性能提升同時(shí), 整個(gè)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)性能提升。

0 引言

隨著現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)發(fā)展, 汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)愈發(fā)完善, 已成為汽車(chē)乘坐舒適性中一個(gè)重要的影響因素。汽車(chē) 空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、 冷凝器、 蒸發(fā)器、 膨脹閥、 鼓風(fēng)機(jī)和空調(diào)管道等部件構(gòu)成, 其工作原理是通過(guò)制 冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)的壓縮、 冷凝、 節(jié)流、 蒸發(fā)等 過(guò)程實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)作為一個(gè)整體工作時(shí), 各部件之間是相互影響、 相互聯(lián)系的[1] 。空調(diào)管道的 設(shè)計(jì)決定整個(gè)系統(tǒng)的壓降過(guò)程、 流場(chǎng)分布、 溫度分布 和風(fēng)量分配, 對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能有很大影響[2] 。因此, 汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)道的設(shè)計(jì)合理性要求嚴(yán)格。風(fēng)道流場(chǎng)中產(chǎn)生渦流或阻礙流場(chǎng)順暢流動(dòng)的結(jié)構(gòu)都需 要進(jìn)行優(yōu)化。

近年來(lái)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 理論進(jìn)一步發(fā)展, 已經(jīng)成為流體機(jī)械設(shè)計(jì)初期指導(dǎo)的常用方法。通過(guò) CFD 計(jì)算能夠縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、 降低成本, 且能夠提供全 面準(zhǔn)確的信息[3] 。在空調(diào)風(fēng)道的設(shè)計(jì)過(guò)程中, CFD 方法 的應(yīng)用可以縮短周期, 為設(shè)計(jì)方向提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。本 文作者使用 ANSA 軟件輔助進(jìn)行前處理, 通過(guò) STARCCM+進(jìn)行仿真計(jì)算, 對(duì)某車(chē)型現(xiàn)有空調(diào)風(fēng)道流場(chǎng)流動(dòng) 情況進(jìn)行分析, 尋找其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不合理的地方, 并進(jìn) 行相應(yīng)的優(yōu)化。

1 數(shù)值計(jì)算 

1.1 CFD 現(xiàn)狀

CFD 是數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)合發(fā)展的產(chǎn)物, 它 以計(jì)算機(jī)為工具, 通過(guò)離散的數(shù)學(xué)方法, 快速得到流體 控制方程的近似解, 可以對(duì)流體中的各類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行模擬 和分析。 

CFD 方法通過(guò)流動(dòng)現(xiàn)象的規(guī)律, 綜合計(jì)算數(shù)學(xué)、 計(jì) 算機(jī)科學(xué)、 流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科。現(xiàn)已應(yīng)用到航空航 天、 汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域, 對(duì)工程實(shí)際進(jìn)行指導(dǎo)。可以大大 縮短開(kāi)發(fā)周期, 節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

CFD 基于流體控制方程, 質(zhì)量守恒方程、 能量守恒 方程、 動(dòng)量守恒方程等, 工程仿真即求解方程在特定條 件下的近似解, 以得到流動(dòng)過(guò)程中的相關(guān)物理參數(shù)。采 用數(shù)值方法計(jì)算時(shí), 必須要對(duì)控制方程在空間上進(jìn)行離 散處理, 得到離散的方程組, 因此必須通過(guò)網(wǎng)格劃分來(lái) 完成。

1.2 數(shù)學(xué)模型

湍流是一種是由于黏性力引起的, 非常復(fù)雜的三 維、 帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。目前用數(shù)值模擬湍流流動(dòng)的 方法主要有: 直接模擬 (DNS)、 大渦模擬 (LES) 和雷 諾時(shí)均方程模擬 (RANS)。 

工程中應(yīng)用最為廣泛的是雷諾時(shí)均方程模擬, 其計(jì) 算效率較高, 解的精度也基本可滿足工程需要, 但缺點(diǎn) 在于對(duì)不同性質(zhì)的流體運(yùn)動(dòng)不具有普適性。因?yàn)樵谄骄?運(yùn)動(dòng)中, 雷諾應(yīng)力是未知的, 需要建立湍流模型。湍流 模型的選取主要取決于流動(dòng)的邊界條件和計(jì)算的限制, 如流體是否可壓縮、 計(jì)算精度要求、 時(shí)間等因素[4] 。綜 合考慮風(fēng)道仿真中流場(chǎng)為內(nèi)部流動(dòng)和計(jì)算精度等因素, 選擇 SST k-ω 模型為湍流模型。

2 模型流動(dòng)分析及優(yōu)化

2. 1 風(fēng)道模型

仿真計(jì)算選取某車(chē)型已有的汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道模型為研 究對(duì)象。通過(guò) ANSA 對(duì)其進(jìn)行幾何清理, 其幾何模型如 圖 1 所示。

幾何清理完成后首先劃分簡(jiǎn)單面網(wǎng)格, 然后將其導(dǎo) 入 STAR CCM+中進(jìn)行包面處理得到質(zhì)量較高的面網(wǎng)格, 然后生成體網(wǎng)格并檢查排除掉無(wú)效的網(wǎng)格單元。 

仿真模型的體網(wǎng)格采用 Trimmer 網(wǎng)格。其中, 風(fēng)道 的體網(wǎng)格單元為 308 萬(wàn)個(gè), 蒸發(fā)器芯體的體網(wǎng)格單元為 5 萬(wàn)個(gè), 鼓風(fēng)機(jī)的體網(wǎng)格單元為 255 萬(wàn)個(gè), 共計(jì) 569 萬(wàn) 個(gè)網(wǎng)格單元。網(wǎng)格劃分后根據(jù)空調(diào)風(fēng)道的性能參數(shù)和使 用條件進(jìn)行邊界條件的設(shè)置[5] 。

2. 2 計(jì)算設(shè)置 

鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為滯止入口 ( Stagnation Inlet)。由于蒸發(fā)器芯體包含百葉窗翅片結(jié)構(gòu), 在模擬蒸發(fā)器的 壓損和傳熱過(guò)程時(shí), 可以將蒸發(fā)器 芯 體 簡(jiǎn) 化 為 多 孔 介質(zhì)[6] 。

根據(jù)汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道中空氣流體的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的 模擬方法和模型, 通過(guò)雷諾時(shí)均方程模擬, 選擇 SST k-ω 湍流模型, 其計(jì)算所需的物理模型的選擇如圖 2 所示。

2. 3 流動(dòng)分析 

2. 3. 1 鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口

圖 3 為風(fēng)道 Y 向截面上的壓力分布云圖, 可以看出 鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處上下兩側(cè)尖角部分壓力較大, 即出風(fēng)口 處結(jié)構(gòu)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)的阻礙作用大。

查看其速度分布圖可以清晰地觀察流動(dòng)情況, 如圖 4 所示, 其黑色代表速度。蒸發(fā)器芯體上部進(jìn)風(fēng)極少, 是因?yàn)楣娘L(fēng)機(jī)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)阻擋了鼓風(fēng)機(jī)的出風(fēng), 這會(huì)導(dǎo) 致蒸發(fā)器芯體傳熱利用率低下, 影響空調(diào)性能。

2. 3. 2 風(fēng)道內(nèi)腔 

此風(fēng)道設(shè)計(jì)中出現(xiàn)較多截面面積急劇變化的地方。風(fēng)道的截面突變, 彎曲程度過(guò)大都會(huì)對(duì)空調(diào)的性能產(chǎn)生 影響[7] 。這是因?yàn)? 截面變小, 氣流的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)加 快[8] 。當(dāng)氣流脈沖遇到管道彎頭或者變截面時(shí), 會(huì)產(chǎn)生 激振力, 使管道產(chǎn)生振動(dòng), 壓力波動(dòng)越大, 激振力就越 大, 振動(dòng)就會(huì)越強(qiáng)烈[9] 。

在 STAR CCM+軟件中建立監(jiān)控面并查看流量監(jiān)測(cè)報(bào) 告, 監(jiān)測(cè)各個(gè)出風(fēng)口處的風(fēng)量見(jiàn)表 1。

由表 1 中可以看出, B1、 B2 處 2 個(gè)的出風(fēng)口風(fēng)量較 為均勻, 但 A1、 A2、 A3、 A4 的 4 個(gè)出風(fēng)口風(fēng)量差異較 大。不均勻出風(fēng)會(huì)導(dǎo)致部分出風(fēng)口風(fēng)量和風(fēng)速過(guò)大, 不 利于 NVH 性能。

2. 4 優(yōu)化方向

鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)有阻礙作用, 鼓風(fēng)機(jī)外殼和進(jìn)風(fēng)口共同構(gòu)成的出風(fēng)方向 (沿出風(fēng)口切 線向下) 偏移過(guò)大。需要對(duì)出口處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化, 以減 少其對(duì)進(jìn)風(fēng)的阻擋, 同時(shí)提高蒸發(fā)器芯體利用率。結(jié)構(gòu) 優(yōu)化方案如圖 5 所示。

風(fēng)道內(nèi)腔中由于存在導(dǎo)流板將空氣導(dǎo)入兩側(cè)的出風(fēng) 口, 導(dǎo)流板后方?jīng)]有空氣流入, 而風(fēng)道中部氣流速度較 大, 容易在導(dǎo)流板后方形成漩渦。且由于 A1、 A2、 A3、 A4 的 4 個(gè)出風(fēng)口出風(fēng)不均勻, 需要增設(shè)導(dǎo)流板對(duì)風(fēng)量進(jìn) 行重新分配, 同時(shí)改善原導(dǎo)流板后方的漩渦。在風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí), 盡量減少內(nèi)部的負(fù)壓區(qū), 消除渦流區(qū), 風(fēng)道平滑 過(guò)渡, 利于對(duì)壓損、 風(fēng)量的控制[10] 。

如圖 6 所示的導(dǎo)流板為需要增設(shè)的導(dǎo)流板, 將導(dǎo)流 板設(shè)置在風(fēng)道內(nèi)腔的中間位置, 并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3 優(yōu)化效果 

根據(jù)流場(chǎng)相關(guān)分析, 找出流場(chǎng)中可能存在問(wèn)題的 地方并制定相應(yīng)的優(yōu)化方案。在鼓風(fēng)機(jī)出口處修改了 出口臺(tái)階以改變其切線方向, 減少出口對(duì)空氣的阻擋 作用; 在風(fēng)道內(nèi)腔中增設(shè)導(dǎo)流板, 重新分配各個(gè)出風(fēng) 口風(fēng)量。

根據(jù)優(yōu)化方案修改模型結(jié)構(gòu)后, 重新對(duì)其進(jìn)行仿真 計(jì)算。統(tǒng)計(jì)各出風(fēng)口風(fēng)量見(jiàn)表 2。

由表 2 可知, 鼓風(fēng)機(jī)出口經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后, 在未改變 鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下, 流過(guò)風(fēng)道的風(fēng)量從 405. 5 m3 / h 提 升至 449. 3 m3 / h, 風(fēng)量提升了 10. 8%。風(fēng)量的提高說(shuō)明 鼓風(fēng)機(jī)出口處的結(jié)構(gòu)優(yōu)化使其對(duì)空氣的阻擋作用有所降 低, 優(yōu)化方向有效.

A1、 A2、 A3、 A4 的 4 個(gè)出風(fēng)口的出風(fēng)均勻性有明顯提升, 極差由 26. 5 m3 / h 減小為 5 m3 / h, 方差由 164. 2 減小為 5. 3。同時(shí) B1、 B2 出風(fēng)口出風(fēng)均勻性保持良好, 說(shuō)明風(fēng)道內(nèi)腔增設(shè)的導(dǎo)流板對(duì)風(fēng)量的重新分配使得 A 處 出風(fēng)口風(fēng)量均勻。表明新增導(dǎo)流板的位置和大小適宜, 合理分配各出風(fēng)口風(fēng)量。

圖 7 為鼓風(fēng)機(jī)出口速度分布。由圖可知, 蒸發(fā)器芯 體上半部分空氣流速和進(jìn)風(fēng)量有明顯增加。

鼓風(fēng)機(jī)出口處的優(yōu)化對(duì)出風(fēng)口處的影響不僅減少了 出口結(jié)構(gòu)對(duì)空氣的阻擋, 增加了總進(jìn)風(fēng)量, 還改變了鼓 風(fēng)機(jī)出口的切線方向, 使得鼓風(fēng)機(jī)出口處的出風(fēng)方向向 下半部分偏向的角度變小, 蒸發(fā)器芯體上半部分的進(jìn)風(fēng) 量增加, 能提升芯體熱交換效率。

4 結(jié)論

(1) 在流場(chǎng)中結(jié)構(gòu)突變的位置往往是導(dǎo)致壓力、 速 度、 流量等異常改變的位置, 因此在設(shè)計(jì)流場(chǎng)流域初期 應(yīng)考慮盡量避免或減小結(jié)構(gòu)突變。

(2) 鼓風(fēng)機(jī)出口處結(jié)構(gòu)優(yōu)化改變了出風(fēng)方向, 使蒸發(fā)器芯體熱交換效率提升, 還減小其對(duì)空氣的阻擋, 鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量提升了 10. 8%。 

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