汽车空调送风温度均匀性优化设计与试验研究

1、汽车空调送风温度均匀性优化设计与试验研究 苏 为 1李 磊 2文 颖 3(1. 芜湖博耐尔汽车电气系统有限公司 ; 2. 奇瑞汽车有限公司 ; 3. 华东理工大学 【 摘要 】 针对某款汽车空调送风温度分布不均匀问题 , 利用 FLUENT 流体仿真软件对其气流状态进行了分析 。 通过分析确定了该结构内部影响气流温度分布的决定因素是蒸发器出口挡板和加热器出口竖板 , 同时获得了性能 优化参数 。 根据仿真计算结果 , 将更改样件在汽车空调风洞试验台架上进行了出风温度均匀性试验 。 试验结果表明 , 送风温度均匀性得到了明显改善 , 验证了仿真分析的准确性和可信度 。主题词:空调 温度均匀性 优

2、化设计中图分类号:U463.83文献标识码:A 文章编号:1000-3703(2009 03-0046-04Optimization Design and Experimental Study of AirflowTemperature Uniformity for Automotive Air ConditionerSu Wei 1,Li Lei 2,Wen Ying 3(1.Wuhu Bonaire Automotive Electrical Systems Co.,Ltd ; 2.Chery Automobile Co.,Ltd ;3.East China University of S

3、cience and Technology 【 Abstract 】 To solve the problem of uneven distribution of airflow temperature of an automotive air conditioner,we used FLUENT fluid simulation software to analyze status of AC air flow.By analyzing,we concluded that the decisive factor of its internal structure influencing ai

4、rflow temperature distribution is the outlet baffle of evaporator and the vertical plate at the heater outlet, meanwhile we obtained the performance optimization parameters.We conducted an airflow temperature uniformity test on the automotive air conditioner tunnel test bench with the modified sampl

5、e part in accordance with the simulative computation results.The test results indicate that uniformity of airflow temperature is improved considerably, which verifies accuracy and confidence of the simulative analysis.Key words :AC,Temperature uniformity,Optimization design1前言由于车身空间限制 , 汽车空调多结构紧凑 ,

6、如果 结构设计不合理容易产生冷 、 热气流混合不充分现 象 , 直接导致出风口温度不均匀 。 目前对汽车舒适性 要求越来越高 , 对于非多区域空调 , 要求同一类出风 口之间平均温度差异不超过 5K 为益 。本文针对某款汽车空调系统存在的出风口温度 分布不均匀现象 , 利用计算流体力学 (CFD 技术结 合试验方法 , 获取内部气流流动现象与规律 , 分析影 响冷 、 热气流温度混合的结构因素 , 并对各影响因素 进行调节 , 达到了优化出风口温度均匀性 、 完成产品 温度性能优化的目的 。2数值模拟分析2.1物理模型为保证计算区域结构的准确性 , 对产品采用三 维激光扫描仪进行全部扫描 ,

7、并用 3DSS 软件工具 重组扫描数据 , 整体几何模型由 CAD 软件 proE 构 建 , 导入 GAMBIT 进行计算前处理工作 。 整个计算 域包括风机入口 、 蜗壳 、 蒸发器芯体 、 加热器芯体 、 分 发器 、 吹面出口壳体等 , 具体几何结构如图 1所示 , 其中混合风门处于 20开启角度 (从全冷至全暖总 共 80开启角度 。图 1汽车空调几何结构网格划分上 , 风机旋转域采用棱柱形网格 , 蒸发 混合风门空调吹面出口右吹面中吹面左吹面加热器芯体蒸发器芯体46 汽 车 技 术2009年第 3期2.3计算模型使用流体力学分析软件 FLUENT6.1进行数值求解 。 采用有限体积

8、法对控制方程进行离散 、 非耦合 隐式求解 , 压力和速度耦合采用 SIMPLE 算法 , 各种 流变量和湍流粘性系数用二阶迎风格式离散 , 残差 减小到 10-4。计算域内流动由离心风机旋转产生 , 由于旋转 流动 2的存在 , 湍流模式选择 RNG k-模型 , 并采用 多参考系坐标 , 其中风机叶片内流场为转子区域 , 其 他部分内流场为定子区域 。为保证计算稳定性 , 风机转速采用逐渐增加方 式 。 由于模型有 3个出口 , 为使计算合理 , 延伸 0.5m 出口区域并合并构建共同的环境区域 , 环境出口为 环境压力 。边界条件分别为 :入口边界风机风量为 462m 3/h ; 出口边

9、界环境压力为 0; 多孔介质边界蒸发器及加热器阻力系数由试验数据拟合 ; 换热边界换热器交换能力采用单体试验数据 。出风口温度分布云图 (图 2 显示表明 , 吹面右 出口温度明显高于左侧出风口温度 , 计算温度差值 达 20.14K , 该现象与现产品特征一致 , 说明计算结 果与真实情况一致性好 , 计算分析模型可靠 。图 2吹面各出口温度分布从流体迹线图可看出 , 从单蒸发器出来的冷气 器与加热器芯体区域均采用六面体结构网格 , 其他 区域采用四面体非结构网格 。2.2计算控制方程根据汽车空调特点及气流特征 , 对计算模型作如下简化 :空调各部分密封良好 , 无泄漏发生 ; 内部 为不可

10、压缩流体 , 且符合 Boussinesq 假设 ; 气流处于 稳定状态 ; 内部气流为完全发展湍流运动 ; 空调壁面 对外绝热 。对于三维 、 定常不可压缩流动气体 , 若不计重 力 , 在以恒定角速度旋转的相对直角坐标系下 , 其通 用控制方程满足如下条件 :div (V 准 =div(grad +S式中 , 准 为通用变 量 ; 为 对 应 于 准 的 广 义 扩 散 系 数 ; S 为对应于 准 的广义源相 。具 体 变 量 关 系 如 表 1所 列 , 表 中 各 参 数 取 FLUENT 中默认值 。表中 , G k =t 2鄣 u鄣 2+鄣 u 鄣 2鄣 +鄣 u +鄣 v 鄣

11、2+鄣 w 鄣 2+鄣 w 鄣 2鄣 鄣; eff =+t ; t =C k 2。 式表中 , u 、 v 、 w 分别为流体质量速度沿 x 轴 、 y 轴 、 z 轴的速度分量 ; k 为单位质量流体湍流脉动动能 ; 为单位流体慢动动能耗散率 ; T 为流体温度 ; 为流体动力粘度 ; t 为流体湍流动力粘度 ; 为理想空气 密度 ; k 和 分别为 K 方程和 方程的湍流模式常 数 ; p T 、 T 为能量方程温度常数 。表 1各控制方程中对应变量3.321023.291023.271023.241023.221023.201023.171023.151023.131023.101023

12、.081023.061023.031023.011022.991022.961022.941022.921022.891022.871022.85102X Z Y温度 /K47 汽 车 技 术流在左出口分配上高于右出口 (图 3; 而经过加热 器后热气流在右出口分配上高于左出口 。 即冷 、 热气 流流量分配上的不合理造成左 、 右出口温度不均匀 。图 3空调内部气流温度变化示意分析气流矢量图发现 , 影响出风口温度分布的 主要有两处 , 一处是蒸发器出口挡板 , 另一处是加热 器出口竖板 。 具体结构分析如图 4所示 。图 4影响温度分布的结构分析a. 冷气流在模型上部 , 离蒸发器出口挡板

13、较近 , 该挡板影响冷气流左右能量与风量分配 , 故挡板 起到分配冷气流的作用 。 矢量图 5显示 , 该挡板对冷 气流左右分配不均匀 , 故该挡板角度需要进一步优 化 。图 5蒸发器出口挡板对气流作用b. 加热器出口竖板作用主要是配合冷气流分配 、 提高混合效果 、 对热气流进行导向 。 矢量图及迹 线图显示 , 该竖板对热气流分配比较合理 , 竖板高度 参数暂无需更改 , 具体见图 6。经过以上分析 , 最终确定对蒸发器出口挡板方 位进行优化 。图 6加热器出口竖板对气流作用3优化方案3.1优化参数蒸发器出口挡板是一平直挡板 , 只要确定了挡板两端位置即确定了挡板方位 , 故优化该挡板参数

14、 定为挡板两端 P 1、 P 2在 CAD 中的坐标值 。 以全局坐 标为参考 , 该挡板与 z 轴平行 , 现只需优化 P 1、 P 2的x 轴坐标 , 具体如图 7所示 。图 7优化参数示意3.2优化结果根据前述分析 , 该模型主要问题是左 、 右出风口平均温度差异过大 , 因此确定优化参数后 , 以左 、 右 出风口平均温度差异最小为目标进行优化 。 考虑试 验操作和模具更改实际情况 , P 1、 P 2参数均以 5mm 为一变动步长 。经过对比分析多组 P 1、 P 2参数结果 , 更改效果 最好时左 、 右温差为 2K , 故最终确定采用该组方案 , 具体如图 8所示 。图 8参数优

15、化与目标值关系分析该状态下出风口温度分布 (图 9, 可见温度 分布不均匀现象得到有效改善 , 优化后的 P 1、 P 2参数 值及其对应的出风口平均温度与温差见表 2所列 。优化对象 :蒸发器出口挡板方位XYZ XYP 2P 1注 :P 1、 P 2为 变化参数蒸发器出口挡板加热器出口竖板3.621023.581023.541023.501023.461023.421023.381023.341023.301023.261023.221023.181023.141023.101023.061023.021022.981022.941022.901022.861022.82102温度 /K4.

16、071024.001023.941023.871023.801023.741023.671023.611023.541023.471023.411023.341023.271023.211023.141023.081023.011022.941022.881022.811022.75102温度 /K-210.0P 2/mm-184.5-199.1-213.6-228.2-242.7-257.3-271.8-286.4-300.9-315.5-330.0-170.0P 1/mm-220.9-231.8-242.7-253.6-264.5-275.5-286.4-297.3-308.2-319.1

17、-330.0目标温差 /K4.191024.121024.051023.981023.911023.851023.781023.711023.641023.571023.501023.431023.371023.301023.231023.161023.091023.021022.951022.881022.81102XY Z 温度 /K48 2009年第 3期d c h g abef出口面支撑左吹面出口区域 右吹面出口区域X YZ P 1点需要偏移 30mm (略小于 30mm 亦可 原模型优化方案P 2点基本不用 改动位置 参数 P 1/mmP 2/mm温差 /K原模型 -189-2502

18、0.14优化模型-220-2402.843.741023.701023.651023.611023.571023.531023.481023.441023.401023.361023.311023.271023.231023.191023.141023.101023.061023.021022.971022.931022.89102X YZ 温度 /K参数左吹面温度右吹面温度左右温差问题产品 29231018改进方案3033085图 9HVAC 优化方案出风口温度分布将确定的更改参数与原模型对比发现 , 挡板 P 2端与原挡板位置基本相同 , 因此只需将挡板的 P 1端挪 动 30mm 即可

19、, 具体如图示 10所示 。表 2优化参数结果图 10改动参数说明4试验验证4.1试验设备该试验室风洞可模拟汽车空调运行时环境状况 , 由恒温恒湿气源 、 热水供应系统 、 冷媒控制系统 、 风量 测试装置和试验间组成 。 它可以对汽车空调装置 、 蒸 发器单元 、 加热器单元进行性能试验 , 并可对各出风 口出风温度和风量分布 、 变化进行测试和研究 。 本装 置能控制和测试与各试验相关的空气侧 、 冷媒侧和加 热介质侧参数 , 整个试验过程由计算机进行全自动控 制 。4.2试验条件a. 模拟环境 :温度 287K 、 湿度 60%;b. 加热器通水 :流量 6L/min, 温度 3631K ; c. 风机电压 :12V ;d. 混合风门角度 :35.6。 4.3试验结果分