汽车空调系统蒸发器总成数值仿真

图 2 模型剖面速度云图
由图 2 的速度云图可知，由于风机涡壳出口面与 蒸发器入口面成 90 角的关系，因此，在离心力原理的 作用下，大部分空气在涡壳内及流经涡壳与蒸发器入 口面之间的弯曲流道时贴近腔体流道的外壁，造成空 气在流道内相当严重的偏流现象。由于偏流现象的存 在，使得在蒸发器入口面前的区域内形成了一个很大 的涡旋。这个涡旋是空调的主要噪声源之一。
可知，仿真后的蒸发器总成数值计算模型得到了优化改进，提高了空调性能。把 CFD 技术应用到蒸发
器总成的设计，缩短了蒸发器总成系统的研发周期，降低了成本及试验费用。
关键词：计算流体力学；蒸发器总成；数值模拟
中图分类号：TB657
文献标识码：A
空调是汽车现代化标志之一，空调系统已成为高 级轿车的标准装备。提高汽车空调技术已经成为增强 汽车市场竞争力的 重 要 手 段［1］。蒸 发 器 总 成（ 简 称 HVAC）是汽车空调系统中是至关重要的部件，对空调 的制冷效果有着显著的影响。空气在 HVAC 内部的 流动状况直接影响到 HVAC 的使用性能，而这一问题 一直是汽车空调领域的专家们十分关注的问题。随着 计算流体力学（ 简称 CFD）理论的飞速发展，利用该理 论对汽车空调进行开发设计已成为一种非常重要的方 法。计算流体力学在现代汽车空调上的应用能够有效 地模拟汽车空调在实际应用中空气在空调内部流动的 情况，对于汽车空调的设计、开发和改进有非常大的实 用价值。
空气流体在经过蒸发器芯体时速度分布是否均匀 将影响到蒸发器芯体的使用效率，而在蒸发器入口面 上的空气分布直接影响到气体流经芯体时的分布且对 蒸发器芯体的换热效率有着很大的影响。因此，应当 使空气在此面上的分布尽可能的均匀，以提高蒸发器 芯体 的 换 热 效 率。图 3 所 示 为 模 型 在 z 轴 负 方 向 71 mm处蒸发器入口面的速度分布云图。
近年来，国外的学者对汽车空调蒸发器总成进行 了深入的研究。例如，L. Bennett 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 - 4］；RoIand 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［5］；M. Henner 等 人对风机涡壳及壳体等结构进行分析，对其结构进行 改进［6 - 7］。国内在 CFD 分析领域的研究是近年内才
图 1 HVAC 模型网格几何结构
由于空气在蒸发器总成流道内的流动过程是一个
复杂的三维 湍 流 流 动 过 程，因 此，对 湍 流 的 处 理 采 用
- 8 双方程模型。在三维笛卡尔坐标系中，以张量形
式表示的湍流对流换热控制微分方程如下：
连续性方程
动量方程
6!i = 0 6"i
（1）
[ ( ) ] 6（
42
重庆大学学报（ 自然科学版）
2005 年
消除了噪声源，同时也减少了空气流动的能量损失，提 高了 HVAC 的使用性能。图 6 所示为优化后模型在 " 轴负方向 7l mm 处蒸发器入口面的速度分布云图。 从图 6 与图 3 相比较可知，优化后的模型使空气在蒸 发器入口面上的速度分布比图 3 所示的原模型均匀， 降低了空气偏流的现象。优化后的结构使蒸发器的使 用效率 大 大 提 高，因 此，蒸 发 器 总 成 的 性 能 也 得 到 提高。
到了优化改进，提高了空调性能； 3）把 CFD 技术应用到蒸发器总成设计计算中可
以缩短蒸发器总成研发时间，降低研发成本及 实 验 费用。
参考文献：
［1］ 齐志鹏. 汽车空调系统的结构原理与检修［ M］. 北京：人 民邮电出版社，2002.
［2］ BENNETT L，DIXON C W S，WATKINS S. Modeiiing and Testing of Air Fiow in a HVAC Moduie［ J］. SAE paper， 2002，（1）：506 - 509.
* 收稿日期：2004 - 11 - 10 基金项目：重庆市重大科技攻关项目（7736） 作者简介：于福义（1973 - ），男，辽宁抚顺人，重庆大学硕士研究生，主要从事汽车空调系统设计的数值仿真技术的研究。
第 28 卷第 3 期
于福义 等： 汽车空调系统蒸发器总成数值仿真
41
为 55. 5 万余个网格单元。
图 4 HVAC 优化模型几何结构
对优化结构进行数值计算，并对计算结果进行后 处理 分 析。 图 5 所 示 为 优 化 后 模 型 在 ! 轴 方 向 200 mm处模型剖面的速度分布云图。模型通过优化 后，从图 5 模型剖面图与图 2 原模型剖面图相比较可 知，优化后的模型消除了位于蒸发器入口面前的涡旋，
［5］ ROLAND MARZY，JOSEF HAGER，CLEMENS DOPPELBAUER. Optimization of Vehicie Worm-up Using Simuiation Tooi［s J］. SAE Paper，2001，（1）：1 705 - 1 709.
［6］ GERALD SERDER，FABIANO BET，THOMAS HEID，et ai. A Numericai Simuiation Strategy for Compiex Automotive Cooiing System［s J］. SAE paper，2001，（1）：1 722 - 1 725.
汽车空调系统蒸发器总成数值仿真*
于 福 义，凌 泽 民
（ 重庆大学 机械工程学院，重庆 400030）
摘 要：根据计算流体力学原理（ 简称 CFD），对一种典型的汽车空调系统蒸发器总成进行了数值
模拟仿真。通过应用 CFD 技术对蒸发器总成进行数值仿真设计，并改进设计结构上的不合理部分，可
以达到使总成内空气的速度、温度得到均匀的分布，得到适当的速度值以及降低噪声的目的。计算结果
［7］ HENNER M，LEVASSEUR A，MOREAU S. Detaiied CFD Mmodeiing of Engine Cooiing Fan Systems Airfiow［ J］. SAE paper，2003，（1）：615 - 618.
2005 年 3 月 第 28 卷第 3 期
重庆大学学报（ 自然科学版） JournaI of Chongging Universit（y NOturOI Science Edition）
文章编号：1000 - 582X（2005）03 - 0040 - 04
Mar. 2005 VoI. 28 No. 3
4结论
l）以 CFD 技术进行蒸发器总成数值仿真可以分 析并改进模型结构上的不合理的设计，使之能够得到 均匀的速度、温 度 分 布，适 当 的 速 度 值 以 及 降 低 空 调 噪声；
2）由计算结果可知，蒸发器总成数值计算模型得
第 28 卷第 3 期
于福义 等： 汽车空调系统蒸发器总成数值仿真
43
图 3 蒸发器入口面速度云图
由图 3 可知，由于空气在风机段存在偏流现象，所 以在蒸发器入口面上速度分布极不均衡，在图的上部 空气的速度很高而下部很低。这样就使蒸发器芯体下 部流过的空气很少，虽然芯体有一定的均流作用，但仍 使芯体的换热效率大大降低。
3 模型优化及分析
由以上分析可知，原设计的 HVAC 模型结构存在 涡旋和偏流等不合理现象，所以需要对结构进行优化 处理。分析产生涡旋和偏流的原因是由于气体流经模 型拐弯处受离心力的作用的原因，所以，应在风机段涡 壳出口与蒸发器段的蒸发器入口之间的拐弯处加导流 叶片的方法来解决结构问题。通过多次的优化模型， 最终确定的模型结构如图 4 所示。
1 数学模型
1. 1 物理模型及网格划分 根据汽车空调蒸发器总成的实物模型建立 CFD
分析模型。典型的蒸发器总成结构由 5 段构成，即涡 壳段、蒸发器段、中间段、水箱段和出风段。其中，蒸发 器和换热水箱的结构中都包含有百叶窗翅片结构，该 结构对空气的流动和空气与蒸发器之间的换热过程有 强烈的影响，一般在进行计算处理时需要将蒸发器段 和换热 水 箱 段 作 为 多 孔 介 质 层 处 理。笔 者 选 定 的 HVAC 模型网格几何结构如图 1。由于该 HVAC 壳体 容积较大，为了保证计算的精度，将整个物理模型划分
［3］ JACK WILLIAMS. Aerodynamic Drag of Engine-coiiing Airfiow with Externai Interferenc［e J］. SAE Paper，2002，（1）： 512 - 516.
［4］ TOSHIO TAKEUCHI，NAOYA KAKISHITA，ITSUHEI KOHRI. The Prediction of Refrigeration Cycie Performance With Front End Air Fiow CFD Anaiysis of an Automotive Air Conditione［r J］. SAE paper，2002，（1）：517 - 520.
tankar 提出的控制容积有限元法进行求解，计算区域
采用非均匀四面体单元进行网格离散，控制方程的对
流项采用 Rhie 和 Chow 提出的二阶迎风格式进行离
散，扩散项采用线形插值多项式进行计算。速度和压
力偶合采用 SIMPLE 算法处理。
2 计算结果和分析
对模型计算后，利用云图、矢量图、等值线图等分 析手段对流体的速度、温度和压力等流场参数进行后 处理分析。通过各个位置的剖面图，利用上述方法就 可以对模型的任一部位进行分析，分析流体在流道中 是否存在涡旋、速度的分布是否均匀及判断模型结构 是否合理。图 2 所示为模型在 x 轴方向 200 mm 处模 型剖面的速度分布云图。
图 5 优化后模型剖面速度云图
图 6 优化后蒸发器入口面速度云图
根据 数 值 模 拟 计 算 得 到 的 结 论，利 用 优 化 后 的 HVAC 模型结构进行空调环境模拟试验。由试验结果 可知，优化后的模型与原模型相比在制冷效果、降低噪 声等性能方面都得到明显的提高。因此，通过数值计 算来优化模型可以得到与试验相同的效果，并且比试 验节约时间和成本。
此处 #mol 表分子粘度。方程（5）中系数 1. 3，C18 : 1. 44，C28 : 1. 92。 1. 2 边界条件及收敛条件
: 1. 0， 8 :
采用 CFD 软件进行数值模拟计算，边界条件类型
的设置非常重要。在所建模型的流场近壁区，采用双
层非平衡壁面函数法进行处理。壁面处满足非滑移流
动边界条件， 和 8 的进口边界值根据估计的初始湍
流强度（I : u' / u）的 5% 和 5% 的湍流耗散率计算。计
Байду номын сангаас算表明，入口湍流边界初始值的取值对计算结果的影
响不大。在出口边界，按出流边界条件处理，即所有独
立变量沿出口 方 向 的 扩 散 项 皆 设 定 为 零，即：6b 6n
:
0。
对上述三维湍流流动控制微分方程，采用 Baliga & Pa-
6"j
/!i
!j
）
=
6 6"j
#eff
6!i + 6!j 6"j 6"i
-
2 3
#eff
6! 6"
- 6# 6"i
（2）
方程：
[ ] 6（
6"i
/!i
$）
=
6 6"
i
（
#eff
6$ ） 6"i
+
G
+ GJ - /8（3）
8 方程：
[ ] 6（
6"i
/!i
8）
=
6 6"i
（
#8 eff
68 ） 6"i
+
C18
8 $
#I
S2
-
C28 /
82 $
（4）
能量方程：
6（ 6"i
/u
i
cp
T）
=
6［ 6"i
（T #eff
6T ）］+ 6"i
6!［i 6"j
#
e（ff
6!i 6"j
+ 6!j ）6"i
2 3
#eff
6! 6"
］+ S
有效粘度 #eff根据下式计算：
2
#eff = #mol + /C# 8
（5） （6）
发展起来的。尤其，把 CFD 技术应用到汽车空调的设 计和改进上的研究还不多。目前，对于汽车空调的设 计和改进主要根据试验结果来评定空调结构的设计改 进是否合理。根据这一现状，笔者针对市场上的一种 典型的 HVAC 结构进行了数值模拟，通过对空气流动 的模拟来分析 HVAC 的结构是否合理，以及在空气流 过时是否会产生偏流或涡旋等不利现象。因此，利用 CFD 技术对 HVAC 腔体进行数值模拟可以分析偏流 和涡旋产生的原因和所在的区域，从而对模型的结构 作出优化，降低噪声和提高空调的效率。