王明明，郭　輝,封姿羽，于海珠

(1.空軍航空大學(xué)計(jì)算機(jī)教研室，吉林長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)信息傳播工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012)

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計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算在汽車空調(diào)風(fēng)量開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

王明明1，郭輝1,封姿羽2，于海珠1

(1.空軍航空大學(xué)計(jì)算機(jī)教研室，吉林長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)信息傳播工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012)

[摘要]針對(duì)某車型新儀表板開(kāi)發(fā)中空調(diào)吹腳模式下儀表板司機(jī)側(cè)吹面出風(fēng)口出風(fēng)量偏大的情形，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬分析方法，完成對(duì)新儀表板中風(fēng)道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，改善風(fēng)量分配不均的不足，使其滿足開(kāi)發(fā)要求。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)模擬分析；風(fēng)量分配；風(fēng)道優(yōu)化

傳統(tǒng)的汽車空調(diào)風(fēng)道及出風(fēng)口主要采用經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不明、氣體流動(dòng)狀況不明、敏感部件無(wú)法準(zhǔn)確記錄等不足。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方法，可以記錄任意結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的變動(dòng)對(duì)于性能影響的貢獻(xiàn)，快速形成不同的結(jié)構(gòu)方案供設(shè)計(jì)師選擇，在提高工作效率的同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)周期，并且作為長(zhǎng)期的知識(shí)積累留下充分的證據(jù)和材料。

本文的研究背景是在某車型儀表板的全新開(kāi)發(fā)中，路試試驗(yàn)抱怨在空調(diào)吹腳模式下左側(cè)(司機(jī)側(cè))吹面出風(fēng)口風(fēng)量偏大。通過(guò)CFD計(jì)算機(jī)模擬分析的手段，能夠找到問(wèn)題產(chǎn)生的根源，進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為最終問(wèn)題的解決提供準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的指導(dǎo)。

1計(jì)算方法及計(jì)算模型

1.1控制方程組

CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))的控制方程組為N-S方程，包括流體連續(xù)方程、流體動(dòng)量方程及流體能量方程等。本文的控制方程組只包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程。

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

其中，u為速度，p為壓強(qiáng)，μ為動(dòng)力粘性系數(shù)，ρ為密度。

通過(guò)以上方程，把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。

1.2計(jì)算資源

計(jì)算時(shí)采用36個(gè)CPU并行計(jì)算，每天可以完成5個(gè)方案的計(jì)算,確保了計(jì)算效率。

1.3計(jì)算模型

在模擬計(jì)算介入后，首先根據(jù)路試狀態(tài)儀表板結(jié)構(gòu)，分別對(duì)空調(diào)吹腳模式和吹面模式下風(fēng)道進(jìn)行模型搭建，并作為基礎(chǔ)模型(圖1和圖2)。進(jìn)口設(shè)為質(zhì)量流量進(jìn)口，出口為壓力出口邊界條件,湍流模型選擇k-epsilon standard。

圖1　吹腳模式風(fēng)道基礎(chǔ)模型

圖2　吹面模式風(fēng)道基礎(chǔ)模型

2問(wèn)題背景、計(jì)算驗(yàn)證及優(yōu)化目標(biāo)

2.1路試抱怨

某車型新儀表板路試抱怨，在空調(diào)吹腳模式下，司機(jī)側(cè)吹面出風(fēng)口出風(fēng)量明顯偏大，影響用戶體驗(yàn)。

2.2基礎(chǔ)模型模擬計(jì)算

對(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行了計(jì)算分析，吹腳模式下司機(jī)側(cè)吹面出風(fēng)量分配百分比為12.1%，副司機(jī)側(cè)僅為3.5%，司機(jī)側(cè)出風(fēng)量約為副司機(jī)側(cè)的3倍。模擬計(jì)算結(jié)果，也證實(shí)了路試抱怨問(wèn)題的存在。

圖3　吹腳模式出風(fēng)口風(fēng)量分配百分比

在圖3中，PAS_SL為左側(cè)(司機(jī)側(cè))吹面出風(fēng)口，PAS_ML為中間左側(cè)吹面出風(fēng)口，PAS_MR為中間右側(cè)吹面出風(fēng)口，PAS_SR為右側(cè)(副司機(jī)側(cè))吹面出風(fēng)口，F(xiàn)AS_FL為前排左側(cè)吹腳出風(fēng)口，F(xiàn)AS_FR為前排右側(cè)吹腳出風(fēng)口，F(xiàn)AS_RL為后排左側(cè)吹腳出風(fēng)口，F(xiàn)AS_RR為后排右側(cè)吹腳出風(fēng)口。

分析圖4、圖5可知，大部分氣流吹向司機(jī)側(cè)，僅僅小部分氣流流向副司機(jī)側(cè)。產(chǎn)生該問(wèn)題的原因是氣流進(jìn)入風(fēng)道連接件后，由于壁面的阻礙和反射，導(dǎo)致氣流方向發(fā)生改變。因此，要解決吹腳模式兩側(cè)吹面出風(fēng)量不均問(wèn)題，應(yīng)該從調(diào)整風(fēng)道連接件內(nèi)部氣流流向著手。

圖5　吹腳模式風(fēng)道連接件內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

2.3優(yōu)化目標(biāo)

模擬計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，均表明吹腳模式下司機(jī)側(cè)吹面出風(fēng)口風(fēng)量偏大。因此，優(yōu)化目標(biāo)是降低司機(jī)側(cè)吹面出風(fēng)口風(fēng)量，使兩側(cè)吹面出風(fēng)口風(fēng)量均勻。同時(shí)，需要注意的是，在優(yōu)化吹腳模式過(guò)程中，風(fēng)道結(jié)構(gòu)的改變可能影響吹面模式的風(fēng)量分配。

3優(yōu)化分析

3.1探索優(yōu)化方向

根據(jù)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)優(yōu)化更改風(fēng)道連接件來(lái)調(diào)整氣流方向，從而改善流量分配。優(yōu)化方案Opt_01是在風(fēng)道連接件內(nèi)添加一個(gè)導(dǎo)流片，誘導(dǎo)氣流向副司機(jī)側(cè)流動(dòng),模擬計(jì)算結(jié)果表明，兩側(cè)吹面出風(fēng)口流量分配得到明顯改善,且吹面模式不會(huì)受到影響。同時(shí)，探索其它優(yōu)化方向，方案Opt_02是在左側(cè)風(fēng)道內(nèi)添加一導(dǎo)流片，阻礙氣流向司機(jī)側(cè)流動(dòng)。方案Opt_02雖然使流量分配得到一定改善，但是吹面模式流量分配變差,該優(yōu)化方向行不通。

圖6　優(yōu)化方案Opt_01、Opt_02結(jié)構(gòu)更改

100%FASMode100%PASModePAS_SL(%)PAS_SR(%)FAS_FL(%)FAS_FR(%)FAS_RL(%)FAS_RR(%)PAS_SL(%)PAS_ML(%)PAS_MR(%)PAS_SR(%)Basis12.13.521.318.022.123.124.026.627.621.8Opt_019.65.221.219.721.722.723.527.027.422.1Opt_0210.74.721.019.621.422.619.928.228.723.1

3.2進(jìn)一步優(yōu)化

為進(jìn)一步優(yōu)化吹腳模式吹面出風(fēng)口風(fēng)量分配，優(yōu)化方案Opt_05根據(jù)前面的方案，在風(fēng)道連接件內(nèi)添加第二個(gè)導(dǎo)流片。計(jì)算結(jié)果表明兩側(cè)吹面出風(fēng)口流量分配基本均勻，吹面模式不會(huì)受到影響。

優(yōu)化方案Opt_08是根據(jù)方案Opt_05，考慮工藝要求，使中間導(dǎo)流片的高度降低到9mm(Opt_05高度為15mm)。計(jì)算結(jié)果表明，吹面出風(fēng)量司機(jī)側(cè)為8.6%、副司機(jī)側(cè)為6.5%，還需要進(jìn)一步優(yōu)化，吹面模式不會(huì)受到影響。

優(yōu)化方案Opt_12是在方案Opt_08的基礎(chǔ)上，左側(cè)導(dǎo)流片延長(zhǎng)10mm并向右偏移10mm，中間導(dǎo)流片延長(zhǎng)30mm。流量分配得到進(jìn)一步改善，吹面模式不會(huì)受到影響。

圖7　優(yōu)化方案Opt_05、Opt_08和Opt_12結(jié)構(gòu)更改

100%FASMode100%PASModePAS_SL(%)PAS_SR(%)FAS_FL(%)FAS_FR(%)FAS_RL(%)FAS_RR(%)PAS_SL(%)PAS_ML(%)PAS_MR(%)PAS_SR(%)Basis12.13.521.318.022.123.124.026.627.621.8Opt_057.97.221.517.422.423.523.226.927.822.1Opt_088.66.521.219.621.522.723.726.727.721.9Opt_128.27.021.617.522.523.423.327.127.622.0

3.3滿足優(yōu)化目標(biāo)

優(yōu)化方案Opt_16是在方案Opt_12的基礎(chǔ)上，考慮工藝要求修改完善的方案，吹面出風(fēng)量司機(jī)側(cè)8.2%、副司機(jī)側(cè)6.8%，與此同時(shí)，吹面模式不會(huì)受到影響。

優(yōu)化方案Opt_17是在Opt_15的基礎(chǔ)上收縮風(fēng)道完成的，吹面出風(fēng)量司機(jī)側(cè)7.8%、副司機(jī)側(cè)7.4%，左右吹面出風(fēng)口流量分配比較均勻，吹面模式不會(huì)受到影響，但是生產(chǎn)模具會(huì)發(fā)生較大改變。

優(yōu)化方案Opt_18是在方案Opt_16的基礎(chǔ)上，添加第三個(gè)導(dǎo)流片，吹面出風(fēng)量司機(jī)側(cè)7.7%、副司機(jī)側(cè)7.5%，兩側(cè)吹面出風(fēng)口流量分配基本相同，吹面模式不會(huì)受到影響。

圖8　優(yōu)化方案Opt_16、Opt_17和Opt_18結(jié)構(gòu)更改

100%FASMode100%PASModePAS_SL(%)PAS_SR(%)FAS_FL(%)FAS_FR(%)FAS_RL(%)FAS_RR(%)PAS_SL(%)PAS_ML(%)PAS_MR(%)PAS_SR(%)Basis12.13.521.318.022.123.124.026.627.621.8Opt_168.26.821.617.522.423.523.327.627.022.1Opt_177.87.421.617.422.423.423.027.127.822.1Opt_187.77.521.517.422.423.523.227.127.722.0

3.4各優(yōu)化方案流量分配效果

受篇幅限制，本文只分析了部分優(yōu)化方案，其余優(yōu)化方案不再贅述。為了使大家了解整個(gè)模擬計(jì)算的優(yōu)化過(guò)程，表4展示了整個(gè)項(xiàng)目所有優(yōu)化方案各出風(fēng)口風(fēng)量分配百分比。

表4　各優(yōu)化方案出風(fēng)口風(fēng)量分配百分比

4試驗(yàn)驗(yàn)證及方案確定

4.1試驗(yàn)驗(yàn)證

本人根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，向結(jié)構(gòu)工程師推薦了優(yōu)化方案Opt_5和優(yōu)化方案Opt_16，為驗(yàn)證效果，結(jié)構(gòu)工程師制作了快件并進(jìn)行了試驗(yàn)。表5為空調(diào)吹腳模式和吹面模式的試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果，表中給出的是司機(jī)側(cè)吹面出風(fēng)量和副司機(jī)側(cè)吹面出風(fēng)量的比值。

與此同時(shí)，將快件(根據(jù)方案Opt_16制作)裝到實(shí)車上，先由結(jié)構(gòu)工程師、模擬計(jì)算工程師等相關(guān)專家進(jìn)行主觀舒適性感受，兩側(cè)出面出風(fēng)口風(fēng)量一致，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯區(qū)別，路試抱怨成功解決；樣車送往評(píng)價(jià)，該問(wèn)題被完美消除，沒(méi)有任何抱怨。

表5　司機(jī)側(cè)吹面出風(fēng)量和副司機(jī)側(cè)吹面出風(fēng)量的比值

4.2方案確定

從風(fēng)量分配效果看:(1)優(yōu)化方案Opt_05效果還是比較好的，但是方案Opt_05中添加的導(dǎo)流片高度太高，不滿足工藝生產(chǎn)要求；(2)優(yōu)化方案Opt_16的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均表明，該方案流量分配較好，可以滿足技術(shù)要求。綜合考慮生產(chǎn)工藝要求、經(jīng)濟(jì)性以及生產(chǎn)時(shí)間安排等情況，結(jié)構(gòu)工程師采用方案Opt_16。

5結(jié)論

本文通過(guò)真實(shí)項(xiàng)目某車型空調(diào)吹腳模式風(fēng)量分配優(yōu)化計(jì)算案例，對(duì)整個(gè)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了提煉。(1)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方法，則可以記錄任意結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的變動(dòng)對(duì)于性能影響的貢獻(xiàn)，快速形成不同的結(jié)構(gòu)方案供設(shè)計(jì)師選擇，提高工作效率的同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)周期，作為長(zhǎng)期的知識(shí)積累可以留下充分的證據(jù)和材料；(2)對(duì)于空調(diào)風(fēng)量分配的模擬計(jì)算分析，可以做到與試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)一，通過(guò)模擬計(jì)算的方法，可以有效地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)；(3)模擬計(jì)算的主要工作集中在開(kāi)發(fā)工作的中前期，通過(guò)大量的模擬方案能夠確定正確的設(shè)計(jì)方向。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]王丹,劉雙喜,牟江峰.汽車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)CFD分析[J].汽車工程師,2014(3):21-23.

[4]闕雄才,陳江平.汽車空調(diào)實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

The Application of Computer Simulation in AC Development

WANG Ming-ming1, GUO Hui1,FENG Zi-yu2,YU Hai-zhu1

(1.Aviation University of Air Force,Changchun Jilin 130022,China;2.Changchun University of Technology,Changchun Jilin 130012,China)

Abstract:In this paper, the author aimed at the question of instrument board’s air volume in driver side is too bigger than car co-pilot, making use of the computer simulation analysis to optimize the air duct and equal the air distribution and satisfy the develop demands of instrument board design.

Key words:computer simulation analysis; air distribution; air duct optimization

[收稿日期]2016-05-10

[作者簡(jiǎn)介]王明明(1984- )，女，講師，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用、數(shù)據(jù)挖掘研究。

[通訊作者]郭輝(1961- )，男，副教授，從事計(jì)算機(jī)控制研究。

[中圖分類號(hào)]U463.851

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]2095-7602(2016)06-0060-05