汽车空调箱优化设计及风道风量均匀性研究

4.2 吹脚模式
的，静压压差小，质量流量就大，静压压差大，质 量流量就小(出口 3 除外)，因为总压压差是相等的。
从图 4 得知在风道出口 2 的下方，分配箱的右
从表 2 可以得知出口 1，出口 2，出口 3，出口 4 质量流量百分比分别为 28.3%，21.9%，15.7%， 34.1%，出口 2 和出口 3 之和为 37.6%。原设计目标
26.7%
346.7
出风口 4
8.995
0.03290
19.4%
353.6
进风口
8.168
0.1700
1
----
图 4 吹面模式下的速度流线图
图 5 吹面模式下的压力流线图
从表 1 我们还可以看出出口 1，出口 2，出口 3，
出口 4 与进口的静压压差分别为 342.9Pa，316.5Pa， 346.7Pa，353.6Pa，与质量流量百分比是一一对应
σε=1.3
3 边界条件
为了减少计算量，将鼓风机段省略，而只是做 了一个进风段，进风段的空气的方向是沿着鼓风机 的渐开线方向的。进口的边界条件为速度，在吹面
模式下的风量为 500m3/h,换算成进风段入口的 风速为 8.17m/s，出口的边界条件为压力，四个出 风口背压为 0Pa；在吹脚，除霜模式下的风量为 300m3/h,换算成进风段入口的风速为 4.9m/s，吹脚 模式下四个出风口背压为 0Pa，除霜模式下三个出 风口的背压也是 0Pa。
Abstract The model of air-conditioning cabinet and vent are established in three mode of face, foot and defrost by use of UG. The three models are gridded with software of Gambit, before the three models are numerical simulated by Fluent. Distribution of velocity and pressure of air can be obtained by calculation. According to analysis of velocity field and pressure field we can test whether the structure of HVAC is reasonable, whether there are vortexes or streaming around and so on.We can obtain proper value of velocity and reduce the yawp value by making adjustment of structure. The influence of vent interior structure to air flow distribution and air volume are analyzed, and some optimize directions are put forward. Keywords Sutomobile air-condition HVAC Numerical simulation
侧，进口处的上侧都有涡流现象。涡流现象的存在 会造成噪声的，因此对空调箱的内部结构也得做相
(出口 1）︰(出口 2+出口 3)︰(出口 4)=1︰1︰1，出 口 1 即驾驶员侧可以稍大。但是此结构下驾驶员侧
应调整，以减小噪声值。从图 5 可以看出，蒸发器 两侧、过渡段和风道的连接处压力变化较大。蒸发
下面以某车的空调箱及风道系统为例 ,利用 FLUENT 软件进行数值仿真，研究内容为：
1）研究空调箱及风道内部空气的速度场和压 力场分布 ,分析空调箱的结构是否合理 ,空气流过 时是否会产生偏流或涡旋等不利现象，分析噪声的 来源。
2）分析风道内部结构对风量分配和送风量的 影响 ,并提出优化方向。
3）对换热器侧的速度场进行分析，以提高换 热器的利用率。
图 1 HVAC 及吹面风道网格
图 2 HVAC 及吹脚风道网格
图 3 HVAC 及除霜风道网格
度是不均匀的，即左侧的密度大于右侧的密度，并
4 计算结果和分析
且左侧速度大于右侧的速度，也就是说风道入口的 风量分布是不均匀的，所以造成整个风道的风量分
4.1 吹面模式
吹面模式下的风道在几何上是完全对称的，但 是出口 1，出口 2，出口 3，出口 4 质量流量百分比 从表 1 得知分别为 21.3%，32.6%，26.7%，19.4% 却是不对称的。出口 1 的风量大于出口 4 的风量， 出口 2 的风量也大于出口的风量，整体看就是左侧 的风量大于右侧的风量，这主要与分配箱的内部结
从空调箱内出来的空气主要是通过吹面风道，
基金项目：上海市重点学科建设项目 (S30503) 作者简介:贾传林 (1983 - ) ,男 ,山东枣庄人 ,硕士在读
吹脚风道，除霜除雾风道进入车室内的，这些风道 绝大部分是狭长流道，占整个系统的压损的很大的 一部分。合理的风道设计可以有效地减小风阻、满
足对每个风道出口风量分配的特殊要求。为了 满足空调的舒适性要求，通常要求风道出口风速不 能过大，并且出口的风速分布比较均匀。
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛ μ
+
μt σk
⎟⎟⎠⎞
∂k ∂x j
⎤ ⎥+ ⎥⎦
Gk + Gb − ρε − YM + Sk
(1)
∂(ρε ) +
∂t
∂(ρεui )
∂xi
=
∂ ∂x j
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛ μ
+
μt σk
⎟⎟⎠⎞
∂ε ∂x j
⎤ ⎥+ ⎥⎦
(2)
( ) ε
C1ε k
Gk + C3ε Gb
− C2ε ρ
ε2 k
+ Sε
式中， ρ 为空气的密度；Gk 是由于平均速度梯度
引起的湍动能 k 的产生项；Gb 是由于浮力引起的 湍动能 k 的产生项，对于不可压缩流体，Gb=0。 此模型中，空气在此过程的密度变化很小，可以 当做不可压流体，所以此时 Gb=0。YM 代表可压湍 流中脉动扩张的贡献，此模型中流体是不可压缩 的，所以 YM=0；C1ε、C2ε、C3ε 为经验常数；σk 和 σε
1 物理模型
三个模式下的模型都是通过 UG 绘图软件对空 调箱壳体和风道壳体进行抽芯得到的实体，尺寸是 完全是由壳体真实的尺寸决定的，形状和大小均未 做任何改动。为了使流场更接近真实值，特意把 HVAC 总成和风道通过过渡段连接起来，三个模型 大体上都可以分为六个部分：进风段，蒸发器，中 间段，暖风芯体，分配箱，出风风道。吹面模式下 有四个出风风道，吹脚模式下也有四个出风风道， 除霜模式下有三个出风风道。先在 UG 中将模型以 Parasolid 格式导出，然后分别将 Parasolid 文件导入 Gambit 中进行网格划分[3-4]，为了使计算更准确， 划分蒸发器和暖风芯体的网格时步长较小，划分的 网格比其他部分的网格密。划分网格后的三个模式 下的数模如图 1，图 2，图 3 所示。
风洞实验历来是进行汽车空气动力学研究中 最传统和有效的方法 ,但是单纯靠风洞试验存在一 定的弊端，那就是周期长，投资大。例如对空调箱 每做一处改动就需要做一次实验，这样反反复复的 实验势必造成高成本和低效率。近年来，随着计算 机技术的迅速发展，CFD 在解决汽车空调内的流体 动力学问题上取得了长足的发展，特别是 Denso、 Delphi、 Air International 等知名汽车空调企业已经
大量应用了 CFD 软件。通过 CFD 软件我们可以宏 观地把握 HVAC 总成结构是否合理，进而进行相应 的结构改进，换句话说就是在计算机上进行试验， 节约了大量成本和时间。
国外有很多学者已经用 CFD 对汽车空调的流 体动力学问题进行了深入的研究。Roland Marzy 等 人把汽车暖风系统模型分成多个子模型进行数值 模 拟 以 提 高 对 整 个 系 统 分 析 的 精 确 度 [1] ;Jack Williams 等人利用 CFD 技术对 HVAC 模型内的空 气流动进行了数值模拟 ,得到了速度及静压等参数 在出口和内部各截面处的模拟结果与实验数据的 发展趋势相同的结论[2]。该领域的问题国内则处于 起步发展阶段，研究得不多。
文章编号：CAR108
汽车空调箱优化设计及风道风量均匀性研究
贾传林 欧阳新萍
(上海理工大学，上海 200093)
摘 要 利用 UG 软件针对某汽车空调箱及风道在吹面、吹脚、除霜三个模式下分别建立了数学模型，用 Gambit 软件对三 个数模进行了网格划分等预处理，然后用 Fluent 软件对三个模型进行了数值模拟计算。根据计算得到了三个模式下的速度 场和压力场分布，通过对速度场和压力场的分析，可以验证 HVAC 的结构是否合理，空调箱内是否有涡流，绕流等现象， 通过结构的调整以得到适当的速度值和降低噪声，并分析风道内部结构对风量分配和送风量的影响，从而提出优化方向。 关键词 汽车空调 HAVC 数值模拟
的风量最小，因此需要改进结构，在空间允许的情 况下可以增大出口 1 的截面积或缩短出口 1 侧的风
器两侧的压力变化大是由蒸发器的阻力造成的，过 渡段和风道的连接处压力变化大则是由流道截面
道长度。出口 2 和出口 3 的风量相差 6.2%，出口 3 的风量小是由于出口 3 侧的风道中间部分风道有瓶
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积发生了突变造成的。
2 数学模型
在整个 HVAC 总成内及风道内部的空气流动 认定是湍流流动，从风机出来后已经发展为完全的
三维湍流流动。所以湍流模型采用目前使用最广泛 的标准 k- 模型。
在标准 k- 模型中，k 和 是两个基本未知量， 与之相对应的输运方程为[5]:
∂(ρk ) +
∂t
∂(ρkui )
∂xi
=
∂ ∂x j
配时不均匀的。出口 1 是靠近驾驶员侧的，出口 2， 出口 3 是吹向后排座位的，出口 4 是靠近副驾驶侧 的。出口 1，出口 2，出口 3 的设计风量本来就是 大的，出口 4 的设计风量设计风量本来就是小的， 各出风口风量分配设计时就是不相等的，但是出口 2，出口 3 的风量相差 5.9%，这是不符合设计目标 的（设计目标出口 2，3 风量相等），所以在以后优 化风量分配时，需要对风道的中间部分略作调整。
构有关。从图 4 上可以看出分配箱的出口流线的密
表 1 吹面模式下各截面的质量流量和进出口压差
类别
平均速度(m/s)
质量流量(kg/s)
质量流量百分比
进出口静压差(Pa)
出风口 1
9.917
0.03624
21.3%
342.9
出风口 2
11.50
0.05549
32.6%
316.5
出风口 3
9.444
0.04542
分别是与湍动能 k 和耗散率 ε 对应的 Prandtl 数；
Sk、Sε 是用户定义的源项。
湍动粘度 μ t 可表示成 k 和 ε 的函数,即:
μt = ρCu k 2 ε
(3)
在标准 k- ε 模型中，根据 Launder 等的推荐值
及后来的实验验证，模型常数 C1ε、C2ε、Cμ、σk、σε 的取值为：C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0，
0 前言
在汽车空调中，空调箱是蒸发器芯体和暖风芯 体的载体，蒸发器芯体和暖风芯体在空调箱中的位 置和放置角度很大程度上影响着其换热性能，由于 汽车车身空间有限，汽车空调的空调箱的结构和大 小受到了很大的限制，从而影响了空调箱内空气的 流场，并进一步影响了空调箱内的空气与换热器的 热交换，从而决定了整个空调系统的性能。所以说 对空调箱进行优化设计十分必要。
OPTIMIZATION DESIGN OF AIR-CONDITIONING CABINET AND UNIFORMITY STUDY OF VENT ON AUTOMOBILE AIR CONDITIONING SYSTEM
Jia Chuanlin Ouyang Xinping (Shanghai University of Science and Technology, Shanghai 200093)
颈结构，主要是在车体内受到空间的严格限制。
表 2 吹脚模式下各截面的质量流量和进出口压差
类别
平均速度(m/s)