0 前言
隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對(duì)汽車舒適性的要求提高，空調(diào)在汽車上的配置越來越普遍。本公司某款車發(fā)生在低速、怠速時(shí)空調(diào)系統(tǒng)制冷能力不足的問題。初步分析發(fā)生此現(xiàn)象的原因是位于機(jī)艙內(nèi)的散熱元件冷凝器不滿足使用要求。于是，我們應(yīng)用三維流體分析軟件STAR-CCM+對(duì)其機(jī)艙流場(chǎng)進(jìn)行了未加熱源的冷態(tài)流場(chǎng)的分析計(jì)算，進(jìn)一步分析問題的原因。
1 原設(shè)計(jì)車模擬模型及邊界條件
模擬流程是先將車輛的三維CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，及一些特殊處理及設(shè)定邊界條件，然后解算。
1.1 原設(shè)計(jì)車模型
模擬的物理模型為：將該款車置于某風(fēng)洞進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)試。圖1a）為車輛網(wǎng)格化后的模型，b）為車輛在風(fēng)洞內(nèi)固定安裝位置后的整體仿真域模型。
圖1 風(fēng)洞流場(chǎng)測(cè)試
1.2 假設(shè)及邊界條件
假定及簡(jiǎn)化主要包括：i)空氣密度視為常數(shù)，不隨壓力的變化而變化；ii)風(fēng)扇以均勻轉(zhuǎn)速運(yùn)行；iii)散熱器、冷凝器采用多孔介質(zhì)處理；iv)風(fēng)扇采用風(fēng)扇動(dòng)量源模型方式處理；v)幾何簡(jiǎn)化，一些不重要的比較小的幾何特征作了簡(jiǎn)化處理；vi)計(jì)算量與硬件綜合考慮，未考慮機(jī)艙內(nèi)各熱源的發(fā)熱量引起的溫度變化的影響。
模擬的風(fēng)洞測(cè)試環(huán)境條件：i)溫度為40℃，查得此時(shí)空氣密度1.128kg/m3，粘度1.91e-5 Pa-s；ii)整個(gè)計(jì)算域入口類型為velocityinlet；iii)出口類型為pressure outlet，出口壓力均為101325Pa；iv)計(jì)算工況分別為車速0km/h、40km/h。
2 原設(shè)計(jì)車結(jié)果及分析
2.1 流經(jīng)換熱器的流量及壓力
表1 不同工況下通過換熱器以及格柵、風(fēng)扇的空氣流量
表1為各工況下空氣流量分配(m3/h)。怠速時(shí)，風(fēng)扇起主要作用，冷卻空氣不僅從格柵進(jìn)入機(jī)艙，還有其他入口，因此格柵進(jìn)氣量相比較于流經(jīng)換熱器的流量而言較小。隨著車速增加，各處風(fēng)量均有增加，尤其是格柵入口處，其流量己超過散熱器流量。同時(shí)，經(jīng)過與以往分析的車型相比較，此車型在怠速、低速時(shí)的冷卻空氣流量并無明顯虧缺。
2.2 機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)分布
圖2 熱風(fēng)回流通路一
圖3 熱風(fēng)回流通路二
從圖2、圖3中，可以看到比較明顯的回流通路，圖2為冷凝器側(cè)邊，圖3為冷凝器底部。經(jīng)過冷凝器和散熱器的熱風(fēng)經(jīng)回流通路回到冷凝器之前，與溫度較低的新風(fēng)相混合，使冷卻空氣的溫度提高，從而降低了對(duì)換熱器內(nèi)熱流體的冷卻效果。
3 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的改進(jìn)模型及結(jié)果
3.1 改進(jìn)車模型
圖4 改進(jìn)車模型
為了改善車載空調(diào)低速時(shí)的性能，結(jié)合文中2.2計(jì)算所發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)車載空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了整改，主要措施是：1）加大冷凝器面積，以期增強(qiáng)冷凝器換熱；2）在回流比較嚴(yán)重的部位，增加了導(dǎo)流板。如圖4所示。
3.2 改進(jìn)車機(jī)艙流場(chǎng)分析結(jié)果
表2 改款前后流量對(duì)比（車速40km/h）
表2為改款前后流經(jīng)各重要監(jiān)測(cè)面的流量對(duì)比(m3/h)，可以看到，改款后，各處風(fēng)量均有所下降，最大降幅達(dá)20%。這主要是由于冷凝器加大，以及添置了冷凝器導(dǎo)流板后，機(jī)艙內(nèi)流動(dòng)阻力增大，而機(jī)艙入口格柵開口面積及形狀未變，從而造成進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)的空氣流量減小所致。同時(shí)從圖5中可以看到，圖2所描述的回流顯著減少。圖3中的回流同樣減少。這樣，冷卻空氣的品質(zhì)得到改善。
圖5 改款后冷凝器側(cè)邊的速度分布
4 原設(shè)計(jì)車及改進(jìn)車樣件裝車測(cè)試結(jié)果
先后進(jìn)行了原設(shè)計(jì)車及改進(jìn)車分別在車速為怠速、40km/h、60km/h、120km/h時(shí)的空調(diào)降溫實(shí)驗(yàn)，按照公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
兩車型最差結(jié)果均出現(xiàn)在怠速工況，原設(shè)計(jì)車乘員頭部平均溫度為33.5℃，空調(diào)制冷等級(jí)為七級(jí)，空調(diào)舒適度為熱。空調(diào)冷凝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，乘員頭部平均溫度為27.5℃，制冷等級(jí)為四級(jí)，舒適度為舒適。從而證明了冷凝器改進(jìn)后增大了空調(diào)系統(tǒng)換熱量，原設(shè)計(jì)車在怠速時(shí)制冷量不足的問題得到了解決。
5 結(jié)論
利用STAR-CCM+計(jì)算了某型車在其發(fā)生空調(diào)制冷量不足問題的怠速、低速時(shí)的冷態(tài)的機(jī)艙流場(chǎng)，得到了流經(jīng)冷凝器、散熱器等的冷卻空氣流量。經(jīng)與其他車型分析結(jié)果對(duì)照，空氣流量并無明顯虧缺。同時(shí)得出了其流速、壓力等流體參數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)了一些回流等問題。
根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)冷凝器進(jìn)行了改進(jìn)，并用同樣的方法，對(duì)改進(jìn)車進(jìn)行了機(jī)艙流場(chǎng)分析。對(duì)比原款車，各監(jiān)測(cè)處風(fēng)量均有所下降，但主要下降量為回流熱風(fēng)，因此，冷卻空風(fēng)量氣的品質(zhì)是有所改善的。經(jīng)過改善后的樣件裝車測(cè)試，車載空調(diào)器在低速、怠速時(shí)冷量不足得到解決。
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本文標(biāo)題：機(jī)艙流場(chǎng)分析在汽車空調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
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