运用CFD对汽车空调HVAC的改善设计

我爱汽轮机仿真 2023年6月25日浏览：1732 收藏：1

【摘要】汽车空调HVAC的内部气流受到设计结构状态干扰时，其流向、状态、压力等流场形态会发生改变，并且会对HVAC风量、噪声品质等产生影响，进而降低用户的舒适性体验。文章运用CFD分析方法对某款车型空调HVAC在设计开发阶段遇到的进风风量降低、叶轮气动噪声、蜗壳气流噪声3个问题进行设计仿真，通过仿真分析结果针对气流干扰部分的结构进行了改善，利用试验对改善方案进行对比验证，证明了CFD仿真方法分析的有效性，为空调HVAC在设计阶段的流场性能改善、NVH风噪改善及数据定型提供了有益的参考。

CFD（计算流体力学）技术具有成本低、周期短、可重复等优点，适合在前期指导汽车空调通风系统的设计，因此CFD仿真分析在汽车空调设计阶段非常重要。邢阳等人采用SST两方程模型通过数值仿真分析指导空调HVAC（供热通风与空气调节）结构优化设计，通过调整蒸发器进气前段结构（台阶与挡风筋）使蒸发器通风面速度均匀性指标EAPI得到提升，结果显示对单体制冷量的利用率的提高有较大的作用，同时蜗壳扩压段有效扩压会增加风机风量，有利于空调HVAC整体性能的提升。吴金玉通过FLUENT对某款车型的HVAC及风道内部的速度场和压力场进行CFD分析，评价HVAC的结构设计是否合理，空气流过时是否会产生偏流或涡旋等不利现象，分析风道内部结构对风量分配和送风量的影响并提出优化方向。叶立对HVAC制热除霜模式进行CFD模拟分析，并将模拟结果与实验结果进行对比，结果相互吻合。通过分析模拟结果的流线、速度和压力图，针对蒸发器及蒸发器前流道与进口位置进行结构优化，优化后流场均匀性及涡流问题得到有效改善，空调除霜效果得到增强，同时能耗有所下降。

上述分析表明，运用仿真技术能够对空调HVAC结构优化设计提供重要的帮助。本文对一款空调HVAC设计过程中的问题进行分析判断及结构设计改善，对比改善前后的仿真结果，可帮助设计人员发现影响设计指标的原因，从而有助于及时做出结构优化改善，为HVAC开发数据冻结提供有效的指导。

1 仿真改善设计目的

汽车空调HVAC内部风流的传递路径依次为进风口、叶轮、电机、调速模块、滤网、蒸发器芯体、暖风器芯体、导风风门、各模式风口，开启空调后，风流经过这些部件后，风口的流向、气体的压力等情况受到部件结构的作用或干扰，将使气流的流向、状态、压力等发生改变。在HVAC内部，气流发生改变，将最终影响HVAC发出的气流噪声、噪声品质、出风分配比例、出风口表面气流均匀性等设计品质指标。本文所述的某款车型空调HVAC在设计开发阶段遇到了类似问题，运用CFD数值模拟分析的目的，是为了通过仿真手段快速找出引发问题的原因，并解决问题。

2 仿真分析软件的选择及设置

2.1 软件工具的选择

在整个项目中，使用了如下软件工具：Hypermesh（几何处理及面网格生成）、Tgrid（体网格生成）、Fluent（吹面舒适性的计算）。

2.2 CFD分析计算采用商用软件Fluent完成

采用商用软件Fluent进行CFD分析计算：计算采用有限体积法（FVM），计算中速度压力之间的关系采用SIMPLE算法完成，采用高质量的四面体计算网格，对于N-S方程的求解采用基于压力的隐式格式。

2.3 物理模型和网格划分

空调系统HVAC计算模型如图1所示，由进风箱、风机、空调滤芯、蒸发器芯体及空调壳体组成，模型对空调HVAC结构中小于5 mm的圆角进行去圆角简化处理，空调滤芯及蒸发器模型简化为多孔介质。为了确保HVAC内部风道流场及模拟分析的质量，对风机、出风风道、挡风玻璃划分的网格加密；前处理软件采用Hypermesh软件，网格生成软件采用Hypermesh+gambit+Tgrid 3种软件组合，计算软件使用Fluent软件。模型中采用混合网格单元，总共生成9 057 823网格单元。工况设定如下：①Inlet（压力入口），入口压力设置为0 Pa；②Outlet（压力出口），出口压力设置为0 Pa；③12 V、13.5 V两种工况下的风机转速分别为3 680 r/min和4 030 r/min。

图1 空调系统HVAC计算模型图

3 问题分析及结果对比

3.1 进风口增加格栅对风量的影响

3.1.1 问题描述

为保持车内空气新鲜、干燥，使车内人员保持清醒、车窗不结霜和雾，汽车空调HVAC会设置外循环进风口用于换气，设计上为了不影响出风口风量、减小进气压力，一般空调HVAC外循环风口的开口大小需不小于空调HVAC的出风口大小，以本文中的空调HVAC为例，外循环进风口的开口大小为400 mm×200 mm。外循环进风口和车外相通，车辆停在户外时，外循环进风口开口尺寸较大，而且其连接的风道处正好形成一个窝洞，存在老鼠等从车身排水管爬入，造成空调HVAC的风机风门损坏、内部脏污等问题的风险，此问题引起过多起客户投诉维修案例。为了解决此问题，在设计上需考虑在进风口处增加一个14 mm×14 mm的防鼠格，但又不能因为增加的防鼠格遮挡造成空调HVAC进风风阻明显下降及风量降低。因此，运用CFD进行仿真模拟进行对比分析。

3.1.2 模拟值校正

在CFD仿真分析中，考虑工程效率及计算算力资源有限，通常对几何模型局部细节进行简化处理，同时湍流计算模型中对涡流耗散过程的简化，以及流固壁面剪切力对计算结果的影响，导致仿真计算结果会存在一定误差，因此需对试验结果与仿真分析结果进行对比以考察仿真结果存在的误差是否在工程可接受范围内。本文对比了全冷吹面模式风量计算值与试验值（见表1）：仿真计算值比试验值大，仿真值与试验值偏差较小，两者最大偏差为2%，所以认为计算所选数学模型、计算方法及边界条件的设置是合理的，仿真结果是可靠的。

表1 全冷吹面模式风量计算值与试验值对比

3.1.3 压降结果分析对比

进风箱压降计算值见表2。由表2可知，在12 V电压情况下，外循环增加格栅，进风箱压降增大20 Pa，增大比例为10.2%；在13.5 V电压情况下，外循环增加格栅，进风箱压降增大25 Pa，增大比例为10.7%。

表2 进风箱压降计算值

3.1.4 风量结果分析及对比

空调HVAC风量计算值见表3。由表3可以看出，在12 V电压情况下，外循环增加格栅，空调HVAC风量降低12 m3/h，降低比例为2.3%；在13.5 V电压情况下，外循环增加格栅，空调HVAC风量降低19 m3/h，降低比例为3.3%。

表3 空调HVAC风量计算值

3.1.5 校正结果分析

一是通过全冷吹面模式风量仿真计算值与试验值进行对比验证可知，此仿真模型应用于流场风量分析，计算结果对比试验结果误差最大为2%，满足工程化应用5%的需求，可以实现对空调HVAC设计的参数优化指导。二是增加外循环格栅结构，在最大鼓风机转速下，HVAC进风段压降增大比例为10.7%，空调HVAC整体风量下降3.3%，考虑到增加进口格栅对空调HVAC运行稳定性及对空调HVAC的风量影响较小，建议在进风箱进风口增加此格栅结构。

3.2 风机叶轮进口端的气流噪声的改善

3.2.1 问题描述

低速气流进入鼓风机进气风道内，受到高速旋转叶片的作用力后变为高速旋转气流，在离心力的作用下，气流进入叶轮内部叶片通道并向叶轮外侧流动，并在叶轮外侧产生高速高压气流，由于叶轮上方与蜗壳壳体在配合上存在一定间隙，叶轮外侧高压气流通过此间隙向叶轮内侧低压区流动，这部分流动的气流与叶轮进气口气流合流，并且在叶轮叶片上端内侧转角处产生较大气流速度，而此处叶片拐角角度较小，导致在叶片拐角区域形成复杂的高速紊流，在高速紊流与高速旋转的叶轮叶片表面共同作用下产生局部较大速度梯度及涡流。由于高速涡流是产生气动噪声的主要原因，因此对此处局部流场进行CFD优化可以有效降低鼓风机气动噪声水平。

3.2.2 数据改善对比

由于叶轮叶片上端内侧拐角的角度较小，流动气流会产生较高的气流速度和速度梯度，为消除这种不利的高速气流及降低速度梯度，考虑增大叶轮叶片上端拐角弧度，可以有效减小此处拐角表面气流行程，降低此处气流速度及速度梯度，有利于改善此处气动噪声水平。

3.2.3 改善前后仿真结果对比

改善后，叶轮叶片上端拐角弧度增大，该区域气流流速明显减小及速度梯度明显降低，有利于减小此处因高速紊流产生的气动噪声。说明通过CFD分析显示叶轮局部较大速度气流梯度及涡流，通过增大叶片上端拐角弧度，可以有效降低该区域气流流速及速度梯度，有利于减小此处因高速紊流产生的气动噪声。

3.3 鼓风机蜗壳的气流噪声的改善

3.3.1 问题描述

鼓风机进口段将气流从进口导入叶轮中间进口区域，在进口至叶轮入口段形成负压区域，气流经过叶轮叶片做功后压力及动能增大，气流向外侧流出并经过蜗壳导向后方HVAC通道。鼓风机进口处表面压力的分布情况：在靠近鼓风机出口蜗舌的流道位置出现明显的低压区域，形成较大的压力降，不仅造成能量损失，而且容易产生振动和噪音。这主要是因为气流在靠近蜗舌的蜗壳中产生较大的压力差，在大流量时会出现气流由蜗壳返回至叶轮进口区域，导致该区域及叶轮进口部位的气流流动复杂，在此处形成较大速度的涡流，从而产生局部较低压力区域，因此需对该处流场进行优化。

3.3.2 数据改善对比

通过在叶轮进口低压区附近蜗壳表面增加月牙形挡板结构阻止该处叶轮外侧气流回流至叶轮进口，降低该处叶轮进口气流速度及减少该处涡流的形成，减少进口低压区。

3.3.3 改善样件前后试验结果对比

为验证优化方案结果，按仿真优化方案，制作一套快速成型件，用以控制蜗壳处的气流并进行实际NVH（噪声、振动与声振粗糙度）测试对比，对比优化前后的噪声频谱可以看出，优化后的噪声幅值在125～200 Hz的频率范围均有所降低，特别是在130 Hz处峰值得到有效削减，峰值下降约15 dB。同时，主观评价的结果也表明，实施该方案后，气流轰鸣声得到明显改善。

3.3.4 气流噪声改善结果分析

一是通过对鼓风机CFD仿真结果进行分析，在鼓风机进口处表面压力分布中出现明显的低压区域，形成较大的压力梯度，分析此处流场结构易产生振动和噪音的原因。通过在叶轮进口低压区附近蜗壳表面增加月牙形挡板阻止该处叶轮外侧气流回流至叶轮进口，降低该处叶轮进口气流速度及减少该处涡流形成，从而减少涡轮进口低压区域，达到降低该处气动噪声的目的。

二是通过开展NVH试验测试对比，实验结果表明：优化后的噪声幅值在125～200 Hz的频率范围均有所降低，特别是在130 Hz处峰值得到有效削减，峰值下降约15 dB。同时，主观评价的结果也表明，实施该方案后，空调鼓风机的噪声改善明显。通过CFD仿真分析、试验分析与验证、主观评价，对该优化方案进行了一个系统的研究与验证，试验结果与CFD仿真结果具有一致性。