iAnalysis and Validation of an Automotive HVAC

1、重 庆 理 工 大 学文 献 翻 译二级学院 车辆工程学院 班 级 车辆工程1班 学生姓名 郭志刚 学 号 11004050107 汽车HVAC系统的CFD分析与验证Ashok Patidar, Shankar Natarajan and Manoj Pande 摘要汽车HVAC系统三种操作模式的研究在日前已经实现了。这三种模式是:吹脸模式，除霜模式和吹脚模式。HVAC系统的性能的评价指标是用空气在车厢的放电率，空气经过该系统后的压降，气流在出口面的均匀性以及在不同导管出口之间的气流分配。所有这些参数都通过计算流体动力学（CFD）分析预测。通过多参考系（MRF）模型来模拟稳态流。通过多孔介质模

2、型来模拟蒸发器和加热器的气流流动。标准k-模型模型用于模拟气流的湍流效应。比较CFD的模拟结果与实验结果，说明可以通过CFD模拟大大减少HVAC系统开发的成本和时间。说明CFD分析作为设计工具不仅在设计时有重要作用，而且正被许多汽车公司使用。这让他与数字技术一样也在快速发展。HVAC系统的很多工作都可以用CFD模拟，如整体造型， HVAC元件，风机和通风管道。Shen et al. 1通过分析在通风管道中的气流，研究了挡风玻璃和鼓风机入口之间的压力降，以及气流在入口与在出口处的速度分布。Toksoy et al. 2, Fischer 3, and Gronier & Gilotte

3、4在轮毂处检测气流，显示了软件的计算过程是如何应用到一个考虑流量，噪声和结构完整性的鼓风机叶轮设计中的。Fischer 3 and Gronier & Gilotte 4模拟了鼓风机的三维流场，包括单个刀片的几何形状。与实验数据比较说明 CFD模拟的方法是非常准确的。Werner and Frik 5对 HVAC模块的空气分布管道的优化设计需要考虑空气流分布和压降的设计。 Lin etal. 6验证计算机对HVAC平均流速和表面压力分布的整体预测。Kondo and Aoki 7给出了HVAC模块的入口，出口和其间蒸发器的二维和三维流动，并与实验数据进行比较。他们分析了在蒸发器中的前部

4、的非均匀流动分布的影响以及预测由于流动的非均匀性造成的热性能的劣化速率。Ikuta et al. 8 通过求解二维有限差分方程模拟加热器的流体流动和热流量，并与观测的流量和出口处的空气温度进行比较。Fujisawa 9 开发出HVAC系统的流动可视化技术并分析了三个混合控制门的位置的流量和温度场。 Cho and Kim 10 研究了汽车HVAC模块流体流动与传热的特点，分析了在HVAC模块中使用CFD模拟气流速度和空气温度的一些重要的设计问题。Li and Huang 11引入了一个专用的CFD设计工具，有助于缩短汽车HVAC系统，动力总成冷却系统或热交换模型的设计的开发周期。Hassan

5、et al. 12提出了CFD模拟汽车HVAC风机分别在稳定和不稳定流操作条件的性能预测的方法。他们获得稳定流的测试结果具有良好的相关性，而这种做法在不稳定流显示出较大的差异。低系统压力损失，流过出口平面的均匀的空气，在出口管道适当的气流分流，均匀的冷热空气混合，低噪声，高效率风机等。这些是在HVAC系统的设计要考虑的重要的标准。在这项研究中，对HVAC系统的吹脸，除霜和吹脚模式进行了探讨，并且前三个设计问题已经得到解决。数值分析 HVAC系统的所有操作模式都可以通过CFD软件进行模拟。从流动的结果，问题区域可以识别并通过改变CAD模型解决。因此，这种方法大大降低HVAC系统的设计时间。本研究

6、的过程中的每个步骤都将在下面进行说明。网格划分-图1表示出了HVAC单元的计算域。HVAC吹脸模式的通道和除霜模式的通道分别示于图2和3。图1 HVAC系统模型图2 HVAC系统吹脸模式IP导管图3 除霜模式的除霜管道在分析过程中，该IP导管和除霜风道将分别被连接在HVAC系统的吹脸模式出口和除霜模式出口。图4显示不同的操作模式的减震器位置 。图4 HVAC调节位置的图示1.吹脸模式开启 2.吹脸模式关闭3.除霜模式开启 4.除霜模式关闭5.吹脚模式关闭 6.加热开关关闭7.加热开关开启 8.加热器 9.蒸发器HVAC系统在CATIA V5的几何建模中能画出完整的线框和表面数据。然后将数据转换

7、为IGES格式和读入ANSA V- 12.1.2 ，其中流体表面模型用三面体网格生成。T-Grid 4.0.24用四面体网格生成。图5表示HVAC的一个典型的四面体网格。在吹脸模式中，HVAC单元，风道和轿厢共同组成的域包含大约280万四面体单元。在除霜模式中的大小是230万四面体单元，吹脚模式是大约100万四面体单元。图5 HVAC系统IP管道网格划分CFD分析-本研究用的是FLUENT 6.3软件。用Navier-Stokes方程来模拟不可压缩湍流模块。连续性方程，三动量方程求解两个湍流方程。本研究选择的是非平衡壁面的K个RNG函数模型。SIMPLE算法是对压力 - 速度耦合。Green-

8、 Gauss Cell用一阶迎风对流差分方程来作为稳态解算器使用。风箱是使用多参考系模型建模。热交换器所使用的多孔介质的方法建模。在10个2.8 GHz的E326 AMD皓龙 CPU的基于Linux 的IBM ，大约需要3个小时的计算吹脸模式。吹脚模式时，CPU计算的时间大约是1.5小时。在除霜模式时，计算要2小时，并且在除霜分析进行30分钟后的时间约需9小时。本研究主要是：1.在出口面的流动均匀性 ；2. 在风机额定转速时通过HVAC系统的总空气流量 ；3.空气在不同的管道出口之间气流分配。边界条件-控制门被建模成绝热壁。额定风机角速度，风机入口和出口管道的大气压力作为边界条件。在本分析中的

9、空气流只是由鼓风机转动而进入系统。 HVAC系统的热交换器被建模为多孔区，比如蒸发器和加热器。多孔粘性阻力和惯性阻力都从热交换器的特性曲线（空气流的压降）计算。结果与讨论通过分析HVAC元件中的速度，气流分布以及用于吹脸，除霜和吹脚模式的导管来研究该系统内的流场。总的空气流量和HVAC和导管出口之间的气流分布在车厢中测量。由前面的吹脸，除霜和吹脚模式的分析结果，对HVAC元件，进风道的IP通道和除霜风道设计过程接下来进行了简单的讨论。然后用CFD分别给HVAC，IP管道，除霜管道进行优化设计。在HVAC单元，热交换器的安装在均匀的空气流过热交换器最大利用率，高空气放电率时最低压降的地方。用均匀

10、度指数计算的热交换器的流动均匀性由下面的公式计算：是均匀指数；是表面的横截面面积；是表面平均速度；是在第n个单元表面的速度；是各自的第n表面的细胞表面的横截面面积。几次转换后，变成在HVAC的弯曲挡板（参照图1）它避免了一个90度转弯，并能使蒸发器畅通。因此，HVAC系统的压降减少了32 ，出风口的空气放电率增加了11。同样的空气流量下的在蒸发均匀指数增加了18 。图6显示了HVAC系统的入口段的速度分布。在这两个部分的值是使用公式1计算。值在回风口和空调进气口的值风别是是0.88和0.89元。该值接近1 ，且差不多大小。这意味着HVAC系统有助于保持空气流过蒸发器的平面的均匀性。图6 鼓风机

11、出口与HVAC系统入口处的速度分布通过改变进气道截面积，并在进气道装一个分流器，IP管道为四个出气口分流，并在出口处时是均匀空气速度和最低压降（参考图2）。通过IP管道的出口面的气流均匀性，可以通过均匀度指数来表示。图7表示IP管道出口面的空气速度分布。表1显示了在IP管道的不同网点的均匀性指数值。均匀性数值接近1表示通过IP导管的是均匀气流，这对乘客的舒适性和空调的冷却性能有非常重要的作用。表1 IP管道的不同网点的均匀性指数值图7 IP管道出口面的空气速度分布挡风玻璃和前侧车窗玻璃的安装位置是固定的，这样除霜系统可以通过适当在挡风玻璃的改变气流和提高传热率来拥有良好的除霜性能。可以通过计算

12、除霜器喷嘴的最佳空气流速和适当的空气冲击角来实现这两个重要的设计。热空气可以预热挡风玻璃，这样就能熔化挡风玻璃的外表面的冰层。除霜系统的除冰性能通常是通过他能快速除去给定的区域的冰层的能力来进行评价。这规定了在给定时间内要有多少冰被除去。为了实现这一除冰性能标准，确保空气流离开除霜器喷嘴沿着挡风玻璃行进是必不可少的。另外，在挡风玻璃和仪表板之间的空气流量要最小。多次转换之后，就设计好了在除霜管中央的空气导流器（参见图3 ） 。吹脸模式-要模拟HVAC再循环模式（最大AC）的性能， 把HVAC单元，IP导管和机舱当做是回路。图8和图9分别表示HVAC与IP管道的压力。图8所表示的送风机叶片的入口

13、的压力减小和鼓风机出口处压力增大是因为送风机的转速。鼓风机滚动出口后，空气流到由于蒸发性，膨胀，收缩和弯曲中的损失导致压力下降 。图10和11表示模块内的速度矢量。在HVAC的吹脸模式中，加热器减震器，底部阻尼器和除霜调节风门处于关闭位置，建模成绝热壁引导气流到IP导管。由于叶尖与叶片的间隙使风机空气再循环导管出口之间的空气流分流示于表2 。数值模拟总风量在管道出口6.3 的偏差与实验结果非常吻合。HVAC系统LH ， CLH ， CRH和RH开口的值被设置为30:20:20:30。图12和13表示了车厢内驾驶员平面和中心平面的速度分布。图12中，后座有一个大的涡流，驾驶员和中间乘客前面有一个

14、小涡流。从图13看出，HVAC内部和IP管道中有较大的速度，在前座和中间座之间有一个涡流。可以看见前排座椅之间的缝隙有空气流过直到第三排座椅，靠近出口处的速度较大。图8 吹脸模式下鼓风机压力分布图9 吹脸模式下HVAC内部的压力分布图10 吹脸模式下鼓风机速度分布图11 吹脸模式下HVAC内部的速度分布图12 驾驶室内驾驶员平面速度分布图13 驾驶室内中心平面速度分布表2 IP导管出口处的气流分配比例除霜模式-除霜管道是连接HVAC系统与车厢的。加热器风门完全打开，以允许空气通过加热器。除霜风门打开，其它阻尼器在关闭状态，以引导空气在风道除霜。图14显示除霜喷嘴和客舱挡风玻璃典型的网状模型。创

15、建棱镜层来研究挡风玻璃的厚度和挡风玻璃上的冰层。用厚度等于挡风玻璃厚度的四分之一的四个棱形层模拟挡风玻璃和10个0.05毫米的棱形层模拟冰层。图1516显示鼓风机和HVAC的压力轮廓。在HVAC单元的高压降是由于吹脸模式相比有额外的加热器电阻。送风机的中间部分和HVAC的速度矢量分别示于图1718。由于管道直径小，HVAC有大的速度梯度。在这四个网点的除霜风道之间的气流分流示于表-3 。数值计算结果与在机舱内空气总流量的实验结果有6.2偏差。工程提交前有必要检查除霜系统。随后气流的研究中，分析冰层的瞬时解冻。瞬时升温曲线是在HVAC入口面施加配置文件和求解30分钟的气流能量方程。Fluent6

16、.3的凝固和熔化模型13可模拟在挡风玻璃和侧窗玻璃的除冰图案。除冰图案在挡风玻璃的分析开始后20分钟被显示在图19。分析表明，在A区是在20分钟解冻97 符合规定的-18° C环境温度的80 。图14 挡风玻璃的网格划分图15 除霜模式下鼓风机的压力分布图16 除霜模式下HVAC系统内部的压力分布图17 除霜模式下鼓风机的速度分布图18 除霜模式下HVAC内部的速度分布图19 挡风玻璃的除冰图案表3 除霜模式下导管出口处的气流分流吹脚模式-底部阻尼器和加热器风门在该模式下保持打开。吹脸和除霜模式的阻尼器处于闭合位置，以防空气在IP通道和除霜风道通过。图 20 21显示鼓风机和HVAC

17、的压力轮廓。在HVAC的高压降与吹脸和除霜模式相比是由于加热器的电阻和流动的路径。图22 23显示模块内的速度矢量。空气流的再循环是与与吹脸和除霜模式类似的。底部吹出口之间的气流分流见表-4。在吹脚模式HVAC计算结果表明与总风量8.2 的偏差与实验结果良好的相关性。当前HVAC的目标值被用于HVAC单元的左侧和右侧开口设置50:50 。图20 吹脚模式下鼓风机的压力分布图21 吹脚模式下HVAC内部的压力分布图22 吹脚模式下鼓风机的速度分布图23 吹脚模式下HVAC内部的速度分布表4 吹脚模式下导管出口处的气流分配比例结论在汽车HVAC系统中的吹脸，除霜和吹脚模的流体流场是由CFD分析研究

18、。瞬态挡风玻璃除冰现象也用CFD模拟。计算数值结果与在出口处的空气流量和空气流量分流方面的实验数据相似。因此它表明，CFD非常有效的设计工具。理解在一个系统中的流动特性对于控制主要设计参数很重要。该文件还概述了如何在不同模式下通过执行在CAD中变更流量，以实现结果的优化。本文运用的研究中方法显示出相当大的改进设计。参考文献：1 Shen, F.Z., Backer, G.P., Swanson, D., HVAC Plenum Design Analysis, presented at SAE World Congress, 950113, 1995.2Toksoy, C. et al., D

19、esign of an automotive HVAC Blower Wheel for Flow, Noise and Structure Integrity,presented at SAE World Congress, 950437, 1995.3Fischer, D., Airflow Simulation Through Automotive Blowers Using Computational Fluid Dynamics, presented at SAE World Congress, 950438, 1995.4 Gronier, P., Gilotte, P., Air

20、flow Simulation of an Automotive Blower for a HVAC Unit, presented at SAE World Congress, 960961, 1996.5 Werner, F., Frik, S., Optimization of an Automotive HVAC Module by Means of Computational Fluid Dynamics, presented at SAE World Congress, 950439, 1995.6 Lin, C.-H., Han, T., Sumantran, V., (1994

21、). Experimental and Computational Studies of Flow in a Simplified HVAC Duct. Int'l. Journal of Vehicle Design, 15 (1/2)7 Kondo, F., Aoki, Y., Prediction Method on Effect of Thermal Performance of Heat Exchanger due to Nonuniform Air Flow Distribution, presented at SAE World Congress, 850041, 1985.8 Ikuta, S., Tanaka, K., Kato, K., Numerical Simulation of Air and Heat Flow in a Heater Unit, presented at SAE World Congress, 890574, 1989.9 Fujisawa, N. et al., (1996). Visualization and Color Image Processing of Flow Mixing in an Air Conditioning Unit for Automobiles (in Japanese). Tran