空调管道流场CFD分析报告

1、编号：* 空调管道流场 CFD 分析报告 项目名称： 编制： 日期： 校对： 日期： 审核： 日期： 批准： 日期： 汽车有限公司 2012 年 8 月 目目 录录 1.概述 .1 2.计算流程 .1 3.计算流体动力学（CFD）软件FLUENT 简介.1 4.除霜风道流动及玻璃静态温度和速度分布 .2 4.1.模型简化和网格划分 .2 4.2.模型前处理 .3 4.3.求解结果分析 .3 5.吹面风道流动及风量分配计算 .8 5.1.模型前处理与网格划分 .8 5.2.边界条件及求解设置 .8 5.3.模型求解及结果分析 .9 6.分析结论 .11 1.1. 概述概述 本报告应用 CFD 数

2、值分析软件，对项目除霜效果进行数值模拟计算分析，计算出风 道各风口的风量分配比例，以及玻璃速度和静态温度分布情况，为进一步细化设计提供 依据，分析按 GB11556 给出的条件进行。 2.2. 计算流程计算流程 汽车的中央除霜风道主要肩负着输送分配用来溶化风窗玻璃内、外表面上的霜或冰， 使其恢复清晰视野的热空气之任务，这对驾驶安全性至关重要。所以此段风道的主要设 计点在获得良好的风量分配比例和气流吹拂角度和点击点位置，使挡风玻璃和两侧车窗 玻璃都能得到理想的静态温度和速度分布。此次分析的目的就是通过对空调风道出风口 一段及车厢内的流场计算，得到出风道各风口的风量分配比例及玻璃受风情况显示，此

3、分析过程的流程图如图 1。 初步方案 简化空调系统的设计模型（CATIA） 划分单元网格（HYPERMESH） 定义物理模型、材料、边界条件、初始条件 和求解参数（FLUENT） 求解（FLUENT） 查看分析结果 模型是否可用 模拟结果是否符 合设计要求 最终方案 改进模型 改 进 结 构 改进方案 否 否 图 1 风道除霜分析流程图 3.3. 计算流体动力学（计算流体动力学（CFDCFD）软件）软件FLUENTFLUENT 简介简介 FLUENT 软件是专用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的 CFD 软件。FLUENT 提供了灵活的网格特性，用户可方便地使用结构网格和非结

4、构网格对各种 复杂区域进行网格划分。对于二维问题，可生成三角形单元网格和四边形单元网格；对 于三维问题，提供的网格单元包括四面体、六面体、棱锥、楔形体及杂交网格等。 FLUENT 还允许用户根据求解规模、精度及效率等因数，对网格进行整体或局部的细化和 粗化。对于具有较大梯度的流动区域，FLUENT 提供的网格自适应特性可让用户在很高的 精度下得到流场的解。 4.4. 除霜风道流动及玻璃除霜风道流动及玻璃静态温度和速度分布静态温度和速度分布 4.1.模型简化和网格划分 为了分析除霜系统的除霜效果，这里重点保留除霜风道内的所有细节，将汽车风挡 玻璃及仪表板也考虑在内，与车身外表面构成一个的封闭舱，

5、其数模如图 2 所示，其中 挡风玻璃按照给定的 CATIA 模型分出 A 区和 B 区，两侧玻璃，两侧和中央左右共四个内 部出风口，出口按 GB11556 标准给出。 图 2 除霜风道 CATIA 数模 B 区 挡风玻璃 除霜风道 侧车窗玻璃出口 A 区 右侧窗出口右侧窗出口 1015 图 3 除霜风道结构 对空调除霜风道进行流体分析前，首先需要对 CATIA 模型进行前处理（见图 2、3） ， 去除对分析没有影响的风道表面特征，从 CATIA 模型中抽出风道的内表面；然后去除一 些对最终结果影响很小的细小特征，因为要精确地模拟这些特征，会导致生成网格的质 量变差，求解时的计算量也会成倍增加，

6、所以对模型进行必要的简化和几何清理，尤为 重要。对风道进行网格划分时，总体的要求是连续、均匀、美观，过渡平缓。网格采用 四面体单元，风道网格最小 5mm，单元总数约 55 万。 为了清楚了解风量比例的分配，特将中央出风口根据几何结构分为若干部分，具体 见图 3 所示。 4.2. 模型前处理 边界按国标 GB11556 给出，并如下简化假设： （1）流体的物性参数（如流体的密度与粘度等）为常数； （2）出玻璃外，其他的面不考虑与外界有热交换。 求解设置：风道入口为速度入口，出口为压力出口。设空气在风道入口处的速度均 匀分布，空气流量为 175m3/h，转换速度为 4.93m/s，水力直接 91.

7、04mm，湍流强度为 0.7%，方向垂直于边界；风道出口背压为零，水力直接为 23.46mm。 对于空调系统的风道分析，压力速度耦合一般采用 SIMPLE 方法，RNG 非平衡壁 面函数 k 湍流模型进行分析。针对该空调系统及设计要求，收敛判断条件为所有物理 量的误差不大于 1.0E-4。 4.3. 求解结果分析 4.3.1. 流量、压力和速度结果分析 出风口流量（kg/s）风量分配比例 左车窗玻璃侧 0.0084912.5% 驾驶员侧 0.0276140.7% 53.2% 中央除霜 副驾驶侧 0.05294 0.02488 77.3% 36.6%46.8% 进风口 副驾驶侧出口 驾驶员侧出口

8、 左侧窗出口 进风口 副驾驶侧出口 驾驶员侧出口 左侧窗出口 右车窗玻璃侧 0.0069110.2% 表 1 1015 除霜风道出风口风量分配比例 出风口流量（kg/s）风量分配比例 左车窗玻璃侧 0.0055819.4% 驾驶员侧 0.0245441.3% 50.7% 中央除霜 副驾驶侧 0.04822 0.02368 81.1% 39.8% 右车窗玻璃侧 0.0056649.5% 49.3% 表 2 除霜风道出风口风量分配比例 1015 注：表中出风口位置 1、2、3、4 分别代表左侧窗出口、驾驶员侧出口、副驾驶侧出口、右侧窗出 口 图 4 除霜风道各出口流量分配柱状图 相对应于图 3 的

9、除霜风道，其各个出风口的风量分配比例如表 1、2 和图 4 所示， 从图可以看出 1015 除霜风道左右两侧的风量分配比例分别为 53.2%和 46.8%，基本合理， 通往左右侧车窗玻璃的风量比例各是 12.5%和 10.2%。除霜风道左右两侧的风量分配比 例分别为 50.7%和 49.3%，比较合理，通往左右侧车窗玻璃的风量比例各是 9.4%和 9.5%，左右侧车窗的流量比 1015 的小。 图 4 是空气进入稳态流动后，风道内表面所受到的空气静压力，图 5 是风道内部的 压力流线图，从压力整体的分布规律来看，1015 风道入口到出口的压力分布是比较合理 的，风道出口无明显的负压区，1015

10、 入口风速为 7.11m/s，压力最大值为 84.3Pa，最小 值为-27.1Pa；但的出现的负压区明显比 1015 的多，入口风速为 4.93m/s，压力最大值 为 60.9Pa，最小值为-52Pa。 ，从两者的比较看出，风道的结构在多处 1015 图 4 除霜风道内表面压力分布 产生回流，不利于空气流动，入口风速比 1015 小很多，但负压去比 1015 大很多，是 1015 的两倍，空气内摩擦较大，内摩擦产生能量损失较多，需要优化。 1015 图 5 除霜风道内部压力流线图 图 6、7 都是玻璃上的气流速度值。从这些图上可以看到 1015 前挡风玻璃和侧车窗 玻璃的气流速度较大，A、B

11、区除霜效果较好，速度分布较均匀，同时侧风窗上用以观察 后视镜所可能通过的区域气流速度较高。速度集中在一定区域，侧面玻璃 C 区的速度很 小，从图 7 可知 C 区大部分大于 0.5m/s。 从图 6、7 可以看出，整个 1015 前挡风玻璃和侧车窗玻璃上的气流速度分布较均匀， 这对于此车挡风玻璃的除霜是很好的；对于中央除霜风量不多的情形，就要求较多的气 流流动集中在挡风玻璃的 A、B 两区，即要求气流的喷射角度能够使得气流从出风口出 来直接到达 B 区的下沿，使驾驶员视野区域更好的得以除霜；同时使较多的气流吹拂到 侧风窗上用以观察后视镜所可能通过的区域，使驾驶员能够获得足够的视野。 1015

12、1015（大于 0.5m/s 以上区域）（大于 0.5m/s 以上区域） 图 6 前挡风玻璃速度云图 1015 1015（大于 0.5m/s 以上区域）（大于 0.5m/s 以上区域） 图 7 两侧车窗玻璃速度云图 4.3.2. 温度结果分析 1015 1015（大于 273K 以上）（大于 263K 以上） 图 8 前挡风玻璃静态温度分布云图 1015 1015（大于 273K 以上）（大于 258K 以上） 图 9 两侧车窗玻璃静态温度分布云图 从图 8、9 看出，1015 不管是前挡风玻璃还是两侧车窗玻璃，温度分布都比较合理， A、A和 B 区温度，以及两侧车窗的玻璃都大于 273K，在

13、冰的熔点温度之上，的前挡风 玻璃只有少部分区域大于 273K，两侧的玻璃温度均小于 273K，最大温度是 264K，同时 结合图 6 的速度分布云图看出有明显的 V 型死区，除霜要求可能不能满足国标要求。产 生两侧玻璃温度和速度最大分布不在 C 区原因，一是风管左右两侧出口的倾角太靠上； 二是点击点位置有问题。 前挡风玻璃静态温度和速度变换视频，以及 1015 除霜效果视频如下： 玻璃瞬态速度视频.mpeg玻璃瞬态静温视频.mpegzx 面瞬态静温视频.mpeg 1015 前 820 秒冰融化.mpeg15 到 25 分钟冰融化.mpeg15 到 25 分钟冰静温.mpeg 5.5. 吹面风道

14、流动及风量分配计算吹面风道流动及风量分配计算 5.1. 模型前处理与网格划分 图 10 吹面风道结构 对空调吹面风道进行流体分析前，首先需要对 CAD 模型进行前处理，去除对分析没 有影响的风道表面特征，从 CAD 模型中抽出风道的内表面；然后去除一些对最终结果影 响很小的细微特征，因为要精确地模拟这些特征，会导致生成网格的质量变差，求解时 计算量会成倍增加，所以对模型进行必要的简化和几何处理，尤为重要。对风道进行网 格划分时的总体要求是连续、均匀、美观，过渡平缓。网格采用四面体单元，风道网格 最小 1.5mm，单元总数约 66 万。为了清楚了解风量比例的分配，将风道出风口根据几何 结构分为若

15、干部分，具体见图 10 所示。 5.2. 边界条件及求解设置 为了简化问题，对于计算区域作如下简化假设： （1）固体区与流体区的物性参数（如固体的密度，流体的密度与粘度等）为常数； （2）流动为稳态流动（速度、压力、温度等物理量不随时间变化） ； （3）不考虑重力和温度的影响。 出风口L（左车窗侧） 出风口ML（驾驶员侧） 出风口MR（副驾驶侧） 出风口R（右车窗侧） 进风口 求解设置：风道入口为速度入口，设空气在风道入口处的速度均匀分布，空气流量 为 300m3/h，方向垂直于边界；风道出口背压为零。对于空调系统的风道分析，压力 速度耦合一般采用 SIMPLE 方法，RNG k-湍流模型进行

16、分析。针对该空调系统及设计 要求，收敛判断条件为所有物理量的误差不大于 1.0E-4。 5.3. 模型求解及结果分析 出风口流量（kg/s）风量分配比例 左车窗玻璃侧 L 0.0184618.6% 驾驶员侧 ML 0.0305230.8% 49.4% 中央 吹面副驾驶侧 MR 0.05949 0.02897 60.0% 29.2% 右车窗玻璃侧 R 0.0212321.4% 50.6% 表 3 吹面风道出风口风量分配比例 18.6 30.8 29.2 21.4 0 5 10 15 20 25 30 35 1234 出风口位置 流量分配比% 注：表中出风口位置 1、2、3、4 分别代表左侧窗出口

17、、驾 驶员侧出口、副驾驶侧出口、右侧窗出口 图 11 吹面风道各出口流量分配柱状图 相对应于图 11 的吹面风道，其各个出风口的风量分配比例如表 3 和图 11 所示，从 图 11 可以看出吹面风道左右两侧的风量分配比例分别为 49.4%和 50.6%，基本合理。 图 12 是空气进入稳态流动后，风道内表面所受到的空气静压力，图 13 是风道内部 的压力流线图，从压力整体的分布规律来看，风道入口到出口的压力分布是比较合理的， 风道出口无明显的负压区。 图 12 吹面风道内表面压力分布 图 13 吹面风道内部压力流线图 由图 12、13 可以看出，虽然风道几何进口阶段并不是左右对称，但是在分配后

18、的 管道上其压力显示左右相对均匀对称，表明两边的气流分配均匀。 图 14 吹面气流在各出风口的速度矢量图 图 14 吹面气流在各出风口的速度矢量图，由图可见各个出风口速度相当，但出风 口风速分布不够均匀，部分区域速度很小，从整体效果来看，吹面风道出风口速度分布 情况较好。 6.6. 分析结论分析结论 以上对的除霜效果进行初步分析，从现在的结构分析看，的除霜效果有一定的问题， 有可能不能满足国家标准的要求，结论如下： 1 从上面的结果和分析看出风管的结构不是很理想，内部有好基础负压的区域，而 且负压值很大，产生空气内部摩擦，效果能量，建议进一步优化风管结构； 2 除霜风道左右两侧的风量分配比例分别为 50.7%和 49.3%，基本合理；但通往左 右两侧车窗玻璃（即驾驶员侧和副驾驶侧）的风量比例各是 9.4%和 9.5%，比例较小。 前挡