CFD 方法的汽车空调风道结构优化
随着现代汽车工业发展, 汽车空调系统愈发完善, 已成为汽车乘坐舒适性中一个重要的影响因素。汽车 空调系统主要由压缩机、 冷凝器、 蒸发器、 膨胀阀、 鼓风机和空调管道等部件构成, 其工作原理是通过制 冷剂在系统中循环流动的压缩、 冷凝、 节流、 蒸发等 过程实现温度调节。当空调系统作为一个整体工作时, 各部件之间是相互影响、 相互联系的[1] 。空调管道的 设计决定整个系统的压降过程、 流场分布、 温度分布 和风量分配, 对整个空调系统的性能有很大影响[2] 。因此, 汽车空调系统对风道的设计合理性要求严格。风道流场中产生涡流或阻碍流场顺畅流动的结构都需 要进行优化。
近年来计算流体动力学 (CFD) 理论进一步发展, 已经成为流体机械设计初期指导的常用方法。通过 CFD 计算能够缩短产品开发周期、 降低成本, 且能够提供全 面准确的信息[3] 。在空调风道的设计过程中, CFD 方法 的应用可以缩短周期, 为设计方向提供准确的指导。本 文作者使用 ANSA 软件辅助进行前处理, 通过 STARCCM+进行仿真计算, 对某车型现有空调风道流场流动 情况进行分析, 寻找其结构设计中不合理的地方, 并进 行相应的优化。
CFD 是数值数学和计算机科学联合发展的产物, 它 以计算机为工具, 通过离散的数学方法, 快速得到流体 控制方程的近似解, 可以对流体中的各类问题进行模拟 和分析。
CFD 方法通过流动现象的规律, 综合计算数学、 计 算机科学、 流体力学等多个学科。现已应用到航空航 天、 汽车等工业领域, 对工程实际进行指导。可以大大 缩短开发周期, 节约开发成本。
CFD 基于流体控制方程, 质量守恒方程、 能量守恒 方程、 动量守恒方程等, 工程仿真即求解方程在特定条 件下的近似解, 以得到流动过程中的相关物理参数。采 用数值方法计算时, 必须要对控制方程在空间上进行离 散处理, 得到离散的方程组, 因此必须通过网格划分来 完成。
湍流是一种是由于黏性力引起的, 非常复杂的三 维、 带旋转的不规则运动。目前用数值模拟湍流流动的 方法主要有: 直接模拟 (DNS)、 大涡模拟 (LES) 和雷 诺时均方程模拟 (RANS)。
工程中应用最为广泛的是雷诺时均方程模拟, 其计 算效率较高, 解的精度也基本可满足工程需要, 但缺点 在于对不同性质的流体运动不具有普适性。因为在平均 运动中, 雷诺应力是未知的, 需要建立湍流模型。湍流 模型的选取主要取决于流动的边界条件和计算的限制, 如流体是否可压缩、 计算精度要求、 时间等因素[4] 。综 合考虑风道仿真中流场为内部流动和计算精度等因素, 选择 SST k-ω 模型为湍流模型。
仿真计算选取某车型已有的汽车空调风道模型为研 究对象。通过 ANSA 对其进行几何清理, 其几何模型如 图 1 所示。
几何清理完成后首先划分简单面网格, 然后将其导 入 STAR CCM+中进行包面处理得到质量较高的面网格, 然后生成体网格并检查排除掉无效的网格单元。
仿真模型的体网格采用 Trimmer 网格。其中, 风道 的体网格单元为 308 万个, 蒸发器芯体的体网格单元为 5 万个, 鼓风机的体网格单元为 255 万个, 共计 569 万 个网格单元。网格划分后根据空调风道的性能参数和使 用条件进行边界条件的设置[5] 。
鼓风机的进风口设置为滞止入口 ( Stagnation Inlet)。由于蒸发器芯体包含百叶窗翅片结构, 在模拟蒸发器的 压损和传热过程时, 可以将蒸发器 芯 体 简 化 为 多 孔 介质[6] 。
根据汽车空调风道中空气流体的特点选择相应的 模拟方法和模型, 通过雷诺时均方程模拟, 选择 SST k-ω 湍流模型, 其计算所需的物理模型的选择如图 2 所示。
图 3 为风道 Y 向截面上的压力分布云图, 可以看出 鼓风机出风口处上下两侧尖角部分压力较大, 即出风口 处结构对鼓风机出风的阻碍作用大。
查看其速度分布图可以清晰地观察流动情况, 如图 4 所示, 其黑色代表速度。蒸发器芯体上部进风极少, 是因为鼓风机出风口结构阻挡了鼓风机的出风, 这会导 致蒸发器芯体传热利用率低下, 影响空调性能。
此风道设计中出现较多截面面积急剧变化的地方。风道的截面突变, 弯曲程度过大都会对空调的性能产生 影响[7] 。这是因为, 截面变小, 气流的运动速度会加 快[8] 。当气流脉冲遇到管道弯头或者变截面时, 会产生 激振力, 使管道产生振动, 压力波动越大, 激振力就越 大, 振动就会越强烈[9] 。
由表 1 中可以看出, B1、 B2 处 2 个的出风口风量较 为均匀, 但 A1、 A2、 A3、 A4 的 4 个出风口风量差异较 大。不均匀出风会导致部分出风口风量和风速过大, 不 利于 NVH 性能。
鼓风机出风口处结构对风道系统进风有阻碍作用, 鼓风机外壳和进风口共同构成的出风方向 (沿出风口切 线向下) 偏移过大。需要对出口处结构进行优化, 以减 少其对进风的阻挡, 同时提高蒸发器芯体利用率。结构 优化方案如图 5 所示。
风道内腔中由于存在导流板将空气导入两侧的出风 口, 导流板后方没有空气流入, 而风道中部气流速度较 大, 容易在导流板后方形成漩涡。且由于 A1、 A2、 A3、 A4 的 4 个出风口出风不均匀, 需要增设导流板对风量进 行重新分配, 同时改善原导流板后方的漩涡。在风道设计时, 尽量减少内部的负压区, 消除涡流区, 风道平滑 过渡, 利于对压损、 风量的控制[10] 。
根据流场相关分析, 找出流场中可能存在问题的 地方并制定相应的优化方案。在鼓风机出口处修改了 出口台阶以改变其切线方向, 减少出口对空气的阻挡 作用; 在风道内腔中增设导流板, 重新分配各个出风 口风量。
由表 2 可知, 鼓风机出口经过优化之后, 在未改变 鼓风机转速的情况下, 流过风道的风量从 405. 5 m3 / h 提 升至 449. 3 m3 / h, 风量提升了 10. 8%。风量的提高说明 鼓风机出口处的结构优化使其对空气的阻挡作用有所降 低, 优化方向有效.
A1、 A2、 A3、 A4 的 4 个出风口的出风均匀性有明显提升, 极差由 26. 5 m3 / h 减小为 5 m3 / h, 方差由 164. 2 减小为 5. 3。同时 B1、 B2 出风口出风均匀性保持良好, 说明风道内腔增设的导流板对风量的重新分配使得 A 处 出风口风量均匀。表明新增导流板的位置和大小适宜, 合理分配各出风口风量。
图 7 为鼓风机出口速度分布。由图可知, 蒸发器芯 体上半部分空气流速和进风量有明显增加。
鼓风机出口处的优化对出风口处的影响不仅减少了 出口结构对空气的阻挡, 增加了总进风量, 还改变了鼓 风机出口的切线方向, 使得鼓风机出口处的出风方向向 下半部分偏向的角度变小, 蒸发器芯体上半部分的进风 量增加, 能提升芯体热交换效率。
(1) 在流场中结构突变的位置往往是导致压力、 速 度、 流量等异常改变的位置, 因此在设计流场流域初期 应考虑尽量避免或减小结构突变。
(2) 鼓风机出口处结构优化改变了出风方向, 使蒸发器芯体热交换效率提升, 还减小其对空气的阻挡, 鼓风机进风量提升了 10. 8%。
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文章来源：汽车CFD热管理
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