蒙楊超 俞曉勇 羅穎
【摘 要】汽車空調(diào)風(fēng)道是整車空調(diào)系統(tǒng)的組成部件之一,其送風(fēng)性能的好壞直接影響乘客駕車的舒適性。為了提高風(fēng)道送風(fēng)性能,文章從影響風(fēng)道系統(tǒng)的設(shè)計要素分析空調(diào)風(fēng)道設(shè)計的具體要求和方法,并基于某車型空調(diào)風(fēng)道設(shè)計結(jié)構(gòu)的CFD模擬仿真分析結(jié)果及實車測試結(jié)果優(yōu)化前后的流場特性結(jié)合驗證,結(jié)果表明正確計算風(fēng)道截面積及風(fēng)向線,有助于降低空調(diào)風(fēng)道空氣阻力,提高風(fēng)道送風(fēng)性能,該方法對今后汽車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計具有一定的參考價值。
【關(guān)鍵詞】汽車空調(diào);空調(diào)風(fēng)道;CFD仿真分析;實車驗證
【中圖分類號】U463.851 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688(2020)02-0052-04
汽車空調(diào)風(fēng)道是空調(diào)系統(tǒng)中不可或缺的部件之一,其目的在于創(chuàng)造車內(nèi)舒適的溫度環(huán)境,維持駕駛員和乘客的體表溫度,改善駕駛員的駕車條件,有助于提高汽車的安全性能。風(fēng)道送風(fēng)性能的好壞直接影響車內(nèi)的溫度場和速度場的均勻性,從而影響該車的舒適性能。因此,空調(diào)風(fēng)道設(shè)計的合理性,將是未來評估車內(nèi)熱舒適性的一個重要指標(biāo)。
1 空調(diào)風(fēng)道設(shè)計要求
在汽車風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計過程中,儀表臺風(fēng)道承擔(dān)著輸送冷暖風(fēng)、新風(fēng)到指定位置的功能,同時確保氣流噪聲在可接受范圍內(nèi),達到既滿足乘員熱舒適要求,又滿足強制法規(guī)要求,同時盡可能地做到結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,并與車內(nèi)周邊部件相協(xié)調(diào)。風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計時,主要考慮如下兩個因素。
(1)整體布置:與周邊零件保持安全距離不干涉,保證風(fēng)道走向平順。
(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計:{1}保證截面變化均勻,確保通過每個截面的氣流速度均勻不發(fā)生突變,減少回流、擾流,消除送風(fēng)異音,改善氣流噪聲;{2}保證安裝點、卡接點結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,便于注塑或吹塑工藝的實現(xiàn);{3}導(dǎo)風(fēng)段尺寸和指向滿足使用要求,確保氣流速度和指向角度符合設(shè)計指標(biāo)。
1.1 風(fēng)道風(fēng)向線(出風(fēng)方向)的設(shè)計要求[1]
風(fēng)向線大致可分為兩類:除霜風(fēng)向線(吹前擋風(fēng)玻璃、主副駕側(cè)玻璃)、吹面風(fēng)向線(吹到前后排乘客臉部附近)
1.1.1 除霜風(fēng)向線
確定風(fēng)向線之前需要先確定視野區(qū):主視野區(qū)是主駕駛側(cè)的人視線不被物體阻擋,坐在主駕位置上,通過前擋風(fēng)玻璃能清晰地看到車前物體的玻璃區(qū)域;側(cè)視野區(qū)是以主駕駛側(cè)人坐在主駕位置上,通過側(cè)窗玻璃看到左、右后視鏡的玻璃區(qū)域。
眼橢球及主視野區(qū)(A、B區(qū))的確定可以參考國標(biāo)GB 11555—2009,如圖1、圖2所示。
主副駕側(cè)玻璃視野區(qū)劃定方法:通過人體眼球點及后視鏡面積來確定兩側(cè)玻璃的視野區(qū)(如圖3所示)。
視野區(qū)劃定后,接下來繪制前擋風(fēng)玻璃(前除霜風(fēng)管)風(fēng)向線:以A、A區(qū)底線連線中點拉一條平行于XZ平面且與玻璃面成30°的線,此線為前除霜風(fēng)道出風(fēng)方向?qū)Ь€,風(fēng)向線劃定的正確性將決定除霜效果的好與壞(如圖4所示)。
兩側(cè)除霜風(fēng)道風(fēng)向線通過視野區(qū)域面積的1/3處位置往X向拉一條與側(cè)玻璃成30°的線即為風(fēng)向線(沖擊線)(如圖5粗線所示)。
由于除霜風(fēng)窗是固定葉片,因此設(shè)計階段需要嚴(yán)格按照要求進行,吹面風(fēng)向主要由風(fēng)窗葉片角度和尺寸來控制,吹面風(fēng)道風(fēng)向線初始沖擊位置要考慮吹到人體肩膀處為最佳(如圖6所示)。
風(fēng)向線設(shè)計是決定整個風(fēng)道系統(tǒng)精準(zhǔn)送風(fēng)到指定位置的關(guān)鍵設(shè)計要素,因此設(shè)計風(fēng)道出口朝向時要嚴(yán)格按照既定的設(shè)計要求去執(zhí)行。確定完風(fēng)向線后,接下來需要計算風(fēng)道截面積大小,截面積大小是直接影響風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)阻的因素,也是本論文對比分析的重點之一。
1.2 截面積計算
1.2.1 風(fēng)窗有效面積
不同類型的風(fēng)窗其機構(gòu)不同,風(fēng)道內(nèi)有效面積的計算方法也不同,桶型風(fēng)窗有效面積≈0.45×出風(fēng)口外輪廓垂直投影面積,雙葉片型出風(fēng)口有效面積≈0.6×出風(fēng)口外輪廓垂直投影面積,由于桶狀式出風(fēng)窗已經(jīng)很少使用,本文只針對葉片型風(fēng)窗進行研究[2]。桶式風(fēng)窗和雙葉片型風(fēng)窗如圖7所示。
出風(fēng)口的有效截面積即風(fēng)管內(nèi)壁截面積,因此只要得出風(fēng)管內(nèi)部截面積,就能通過公式推導(dǎo)出風(fēng)窗的截面積(含葉片),有助于風(fēng)窗結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1.2.2 風(fēng)道截面積
S=CFM×1 000 000/V×3 600)(1)
公式(1)中:S為風(fēng)道截面積,mm2;CFM為風(fēng)量,m3/h;V為風(fēng)速,m/s(風(fēng)速范圍:一般取6~9 m/s,計算時可取經(jīng)驗值7.3 m/s)。
從公式可以看出,風(fēng)速一定,風(fēng)量根據(jù)各個口理論分配值確定后,通過公式即可得出風(fēng)道內(nèi)壁截面積,截面積大小同時也反作用于風(fēng)速大小,只有設(shè)計合理的截面積,才能得到適合出口大小的風(fēng)速,才能達到吹風(fēng)舒服的效果。
1.2.3 影響風(fēng)量、風(fēng)速的因素
本文研究的重點是風(fēng)道截面積大小及風(fēng)道風(fēng)向線對風(fēng)量、風(fēng)速的直接影響,截面積越小風(fēng)阻越大,風(fēng)量就越小,但風(fēng)速反之增大;風(fēng)道結(jié)構(gòu)平順、少折彎有利于減小風(fēng)阻[3]。
風(fēng)道內(nèi)的壓力損失可分為沿程壓力損失和局部壓力損失。
(1)沿程壓力損失是空氣沿管壁流動時,由空氣與管壁之間的摩擦及空氣分子內(nèi)部之間的摩擦而產(chǎn)生的。空氣在截面不變的風(fēng)道中流動且空氣量保持不變,沿程壓力損失可按公式(2)計算:
△P=λ(V2ρL)/(8RS)(2)
公式(2)中:λ為摩擦阻力系數(shù),λ=64/Re;Re為雷諾系數(shù),其值≤2 300;V為風(fēng)道內(nèi)空氣的平均流速,m/s;ρ為空氣的體積質(zhì)量,kg/m3;L為風(fēng)道的長度,m;Rs為風(fēng)道的水力半徑,Rs=A/P,m;A為風(fēng)道的過流截面面積,m2;P為風(fēng)道的周長,m。
(2)局部壓力損失。由于氣流在風(fēng)道中的突變,如風(fēng)量、吹風(fēng)方向或速度等突然變化,從而使得氣流在風(fēng)道內(nèi)發(fā)生渦流或速度的重新分布,大大增加了風(fēng)動阻力,由此造成的能量損失,稱為局部壓力損失。
△Pj可根據(jù)公式(3)來計算:
△Pj=ζρV2/2(3)
公式(3)中:ζ為局部阻力系數(shù)(取值根據(jù)風(fēng)道截面氣流速度查閱相關(guān)的工程手冊)。
只有減少以上壓力損失,并控制在15%以內(nèi),才能達到較好的送風(fēng)效果,主要從以下3個方面考慮:{1}風(fēng)道截面積不要產(chǎn)生突變,突變?nèi)菀桩a(chǎn)生渦流。{2}盡量減少彎道,空氣流過彎道時,氣流會因為風(fēng)向突變而脫離管壁表面,使局部產(chǎn)生真空現(xiàn)象,氣流在局部區(qū)域產(chǎn)生回旋,易產(chǎn)生噪音。{3}風(fēng)道出風(fēng)口截面積要合理,風(fēng)口減小,有利于提高風(fēng)速,有助于乘客吹風(fēng)感受的改善。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析
(1)設(shè)計風(fēng)道主要考慮截面積大小與風(fēng)向線方向,綜合以上原則,布置吹面風(fēng)道如圖8所示。我們保證各出風(fēng)口截面積接近,風(fēng)向線滿足計算要求,設(shè)定4個風(fēng)口按100%風(fēng)量均分,每個風(fēng)口分到25%的風(fēng)量進行第一次CFD分析(如圖9所示),結(jié)果見表1。
第一版CFD模擬分析結(jié)果中可以看出右側(cè)分配到的風(fēng)量較多,不滿足目標(biāo)要求,因此需按比例調(diào)整右側(cè)風(fēng)道截面積減小,修改部位如圖10所示,并進行第二輪CFD模擬分析,結(jié)果見表2。
第二版分析結(jié)果在誤差范圍內(nèi)基本滿足目標(biāo)要求,理論分析已完成,接下來為了驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性,需制作出樣件(如圖11所示),并在實車裝配完成后進行測試,測試結(jié)果見表3。
對比實車測試結(jié)果后可以看出,實車結(jié)果在誤差范圍內(nèi)與CFD模擬分析結(jié)果相差不大,基本滿足要求。
小結(jié):截面積大小對風(fēng)量分配起著至關(guān)重要的作用,理論分析需結(jié)合CFD分析與實車測試結(jié)果進行驗證確認(rèn),只有三者符合要求,才能算成功完成設(shè)計風(fēng)道。
(2)接下來分析除霜風(fēng)道,在空調(diào)箱能力確定的情況下,除霜風(fēng)道對除去前擋風(fēng)玻璃的水汽和冰起著決定性作用,因此設(shè)計時要特別注意風(fēng)向線嚴(yán)格滿足要求。
根據(jù)之前設(shè)計要求布置好除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu),并進行第一版CFD模擬分析。
從圖12至圖16可以看出:由于吹風(fēng)風(fēng)向線過低,沖擊點位置偏低,所以除霜效果在1.5 m/s下無法滿足視野區(qū)的除霜要求,需進行調(diào)整。
更改前除霜風(fēng)道與左右除霜風(fēng)道出口結(jié)構(gòu),調(diào)整風(fēng)向線方向,如圖17至圖19所示,并進行第二版CFD模擬分析。
從CFD模擬分析結(jié)果可以看出,優(yōu)化風(fēng)道沖擊線和沖擊點后,除霜效果得到較大提升,其中視野區(qū)90%以上被除干凈,因此風(fēng)道風(fēng)向線的方向很大程度上決定了除霜結(jié)果的好與壞。
接下來結(jié)合實車對比除霜結(jié)果(如圖20所示)。
實車除霜結(jié)果與CFD模擬分析結(jié)果大致相同,驗證了理論設(shè)計結(jié)合實際的重要性。
3 結(jié)論
(1)風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)盡量避免風(fēng)道彎折、截面積大小不均等因素,減少風(fēng)阻,合理布置結(jié)構(gòu)。
(2)嚴(yán)格按照理論分析進行前期設(shè)計,在CFD模擬分析階段需反復(fù)調(diào)整至要求狀態(tài),最后與實際相結(jié)合,只有這樣,才能更加有效地檢驗風(fēng)道風(fēng)向線及風(fēng)量分配,以及除霜效果是否合理。
(3)風(fēng)道作為空調(diào)系統(tǒng)中氣流最后一道輸送路徑,對空調(diào)系統(tǒng)性能能否發(fā)揮到最好起到關(guān)鍵作用。
參 考 文 獻
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