【论文分享】基于 CFD 的某车型顶蒸出风均匀性研究
随着社会的发展，人们对汽车舒适性的要求越 来越高，乘员舱的降温效果成为评价乘员舱舒适性 的一个重要指标 [1] 。一般情况下，轿车只拥有一 套空调系统就能满足降温需求，对于尺寸较大的车 型如大型 SUV、MPV 等，为了更好地保证乘员舱 舒适性，通常会增加一套顶蒸空调系统（Heating，Ventilation and Air Conditioning，HVAC），HVAC 位于后轮毂包位置，风管位于 C 柱（或 D 柱）和顶 棚内，出风口位于顶棚位置；由于受到顶棚空间限 制，风管方向与风口方向处于互为垂直的结构，风 口位置会存在较大的风口空腔，气流通过风口空腔 时容易形成涡流。顶蒸风管不同于前吹面风管，气 流从风管进入风口后，在风口空腔中要经过 90°向 转角才能吹入乘员舱，这会出现风口出风不均匀的 现象，严重时甚至会出现风口一半以上区域无风的 现象，从而导致乘员舱整体制冷效果不佳，影响乘 员舱舒适性以及驾乘体验 [2] 。
龚继如 [3] 通过仿真和试验相结合的方式分析了 风道压力对空调风道出风均匀性的影响，但并未研 究风口结构对出风均匀性的影响。王爱斐等 [4] 探究 了轨道交通车辆空调风道结构对其整体送风均匀性 的影响，但并未研究单个风口出风均匀性。
传统设计通常是根据经验和试验，这样前期无 法有效地评估对应方案下风口的出风均匀性，且加 大了开发的周期和成本。本文通过 CFD 仿真分析对 风口进行优化，有效地提升了出风口的均匀性，大 大缩短了开发周期，最后通过样件装车试验方法对 最终状态进行试验验证，该方案能有效解决风口均 匀性差的问题。
某车型顶蒸风口出风均匀性较差，甚至会出现 风口一半以上区域无风的现象，驾乘体验不满足要 求。应车企要求，对该车的风口出风均匀性进行优化。
该车为 7 座大型 SUV，为保证后两排乘员的舒 适性，顶蒸风口采用前后各两个风口的布置方式， 风管方向和风口方向互相垂直，风管分析模型如图 1 所示，风口的结构及形成的空腔如图 2 所示。
参考空调前排吹面风口的出风均匀性统计值并 与相关工程师进行讨论，确定本次顶蒸风口出风均 匀性的优化目标如下。
（1）针对某一风口，均匀性系数≥ 0.7。
（2）风口被格栅叶片划分为多个出风间隙依次 为 1、2 风口（图 3），每个出风间隙的平均风速与 整个风口平均风速的差值不超过 20%。
（1）主观感受各个区域风速度，出风是否均匀。
（2）同一风口均分为左、中、右3个区域（图4）， 每个区域随机测量 3 次有效值，取平均值记为该区 域的平均风速。
（3）将上述各区域的平均风速取平均值记为本 次测量整个风口的平均风速；每个区域的平均风速 与整个风口的平均风速差值保持在 20% 以内。
为保证计算精度，处理模型时尽量保证模型的完整性，以及保留乘员舱中所有部件，包括全部 格栅叶片、风口、顶棚、风管等。将整个乘员舱及 HVAC、风管、风口处理为完整的封闭的计算域， 且各个风口区域 50 mm 范围内的顶棚数据不做简 化处理；网格尺寸设置为 1 ～ 16 mm，对风管、 HVAC、风口及风口直吹段区域进行网格加密；对 风管、风口、HVAC 进行边界层设置，最终面网格 数量为 2 360 412 个，体网格总数量为18 274 694 个；整个降温模型为内循环。
入口设置为质量流量入口，前 HVAC 入口质量 流量为 420 m3 /h，后 HVAC 入口质量流量为 210 m3 /h， 出口设置为压力出口。
4 基础模型和初版模型分析结果
本文主要研究风口出风均匀性，基础模型分析 结果显示风口 1 出风均匀性最差，因此，将风口 1 作为研究对象进行分析优化，如图 5 所示。
初版模型分析结果显示，风口 1 的出风均匀性 期的优化不利。系数为 0.61 不满足目标值 0.7，且风口平均风速为 3.9 m/s。风口左侧间隙风速普遍在2 m/s以下（图6）， 不满足每个出风间隙的平均风速与整个风口平均风 速的差值不超过20%的要求；整个风口均匀性较差， 需要对出风均匀性进行优化。
如图 6 和图 7 所示，风口 1 出风很不均匀，出 现同一风口一半有风一半无风的现象，与前期车企 反馈的问题一致。由于风管的布置空间有限，风管 方向与风口方向互为垂直，风口位置存在较大的风 口空腔，气流在流经空腔时，会在空腔内形成涡流 （图 8），导致气流不能从风口均匀地流入乘员舱， 所以需要对空腔进行优化。
原状态的风口结构如图 9 所示，只有一条筋用 于调整风口的风量，由于筋未将风口完全分割成独 立的风口，导致风口空腔并不是独立的空腔，对后期的优化不利。
按图 10 所示的方式调整出风口空腔的结构， 将位置 1 处的筋打通，使风口处形成一个完整独立 的空腔，使风口的出风方式受干扰因素减少；通过 不断的优化调整，最终在位置 2 处加 1 个宽度为 20 mm，长度为 50 mm，深度为 6 ～ 14 mm 的楔形凸台，以改变空腔结构和涡流状态；在位置 3 处加 1 个宽度为 10 mm，长度为 20 mm，深度为 5 mm 的凸台，提前下压一部分气流进入乘员舱，防止涡 流减弱或消失后，气流完全从风口的远端进入乘员 舱的现象。
优化模型分析结果显示，风口 1 的出风均匀性 系数为 0.73，满足目标值 0.7，且风口平均风速为 4.1 m/s，风口各个间隙风速超过平均风速的区域均 在一半以上，如图 11 和表 1 所示。风速均匀地从 风口的各个格栅间隙进入乘员舱，如图 12 所示。随着空腔结构的改变，涡流强度大大减弱，如图 13 所示，能够使气流从整个风口均匀地进入乘员舱。
试验测量风口风速时将风口分为左、中、右 3 个区域，如图14所示，分别测量3个区域的出风速度， 如图 15 所示，且每个区域随机测量 3 次，取平均值。
优化前对原车使用风速仪测量风口 1 处的出风 风速；测得左、中、右3个区域的风速分别为0.8 m/s、 2.9 m/s、4.3 m/s（表 2），主观感受 3 个区域风速 差异较大，左侧基本感受不到风，均匀性差。
优化后制作快速样件并装车，使用风速仪测量 风口 1 的出风速度；测得左、中、右 3 个区域的风 速分别为 2.8 m/s、3.1 m/s、2.6 m/s（表 3）；测得 3 个区域的风速差异较小，能够感受到整个风口都 有较大的风吹出，且各区域的平均风速都在实测风 口平均风速的 20% 以内，满足风口的设计要求，能 够得到很好的驾乘体验。
实测的平均风速都比分析的平均风速低，主要 是由于风速叶轮测速仪尺寸较大，出风口较窄，测试时出风口不能有效地覆盖整个风速仪，测试的风 速比实际的风速偏低。但通过各个区域的平均风速 及整个风口的平均风速间的相互对比可以判定出风 的均匀性。
本文通过对某车型顶蒸风口出风均匀性优化分 析，在风口空腔内加凸台的优化方案很好地改善了 风口的出风均匀性，并通过试验进行对比验证，结 果表明，优化后的结果能够满足设计要求。在整车 开发前期采用这种在风口空腔内加凸台的方法可以 快速有效地改善风口出风均匀性，缩短研发周期。该优化方法可以作为同类车型顶蒸吹面的参考。
文章来源：汽车CFD热管理
当前暂无评论，小编等你评论哦！
