空调进风口前端水管理及相应进风阻力关系

孟祥军 钱锐 周滋锋 严鹏 孙建逵

（泛亚汽车技术中心有限公司）

在目前汽车空调设计中，应使前端进风阻力尽量小，满足风量的要求，同时也应满足水管理要求。针对目前此问题的验证，主要的手段是通过实车进行雨淋实验和风量的测试，这样就很难在设计初期进行相应验证，导致后期更改难度大、成本高且浪费时间。文章通过对某款车型进行空调进风口的水管理及相应进气阻力分析，在确定排水口的位置及大小的前提下，通过更改内部相应零部件的结构，使其达到设计要求，并通过分析得出水管理与进风阻力之间的相互关系。

1 模型计算

1.1 模型简化及网格生成

模型简化主要关注5 个重点零部件：1）前挡风玻璃，以最外侧的面为基准，简化为片体，模型在简化过程中不能改变玻璃的曲率；2）进气格栅上的小孔是水管理的重要的设计参数，简化要保证小孔的开孔面积；3）雨刮电机是主要监测的零部件，在简化过程中要保证最外面的轮廓形状与实际模型相符，不要有大的改动；4）空调进风口与支撑板接触的结构，要保证其精度，此处需要监测液位的高度；5）支撑板上的排水槽液划分的网格要保证与实际的数模一致，这样可以准确地判断水的卸载能力。通过简化，进气格栅上的小孔及相关零件结构，如图1所示。

几何模型简化后，再进行面网格划分，面网格选用三角形非结构形式。对于进气格栅有孔的零部件，网格大小为2 mm 左右，其它零部件的网格为5 mm 左右。在保证计算结果准确的情况下，使网格数量尽量少，当面网格计算好后，导入到TGrid 软件进行体网格划分，体网格生成采用四面体画法，最后通过生成的体网格导入Fluent 软件进行计算[1]。

1.2 基本理论

空调进口前端水管理采用瞬态模拟，计算采用VOF 多相流模型，计算中每个迭代步长为0.001 s，每个步长迭代20 次，计算20 s，总共需要迭代40 万步，为了更好的加快计算,采用8 核并行计算，前端进风阻力计算选用湍流模型（k-ε）的稳态计算，差分格式采用2 阶迎风格式，应用SIMPLEC 算法进行迭代计算，残差曲线判定设为1.0×10-6[2]。

1.3 边界条件的设置

进口：水管理分析中进口采用流量为2.52 L/s 的水延玻璃表面流下，进口设为第二相（水），前端进气阻力分析进口为压力进口[3]。

出口：水管理出口设为压力出口边界条件，大小为一个标准大气压（101 325 Pa），出口第二相设为空气，前端进气阻力模拟分析，以空调进风口125 L/s 的空气吸入空调内进行模拟[4]。

2 模拟结果

2.1 改进前进风阻力与水管理的模拟结果

当进风口流量为125 L/s 时，空调的进风口流线图和压力云图，如图2所示。

通过图2b 可以得出，从进气格栅到空调进口的压降为170 Pa，此压降符合设计要求。

前端水管理模拟结果，如图3所示。图3 中，蓝色代表零件处于没有浸水的状态；红色代表零件处于完全浸水的状态；蓝色和红色之间代表有部分水会浸入到零件上。

通过图3 可以看出，空调进风口没有进水，电机表面有水，其原因是水漫过挡板流到电机表面上，电机表面长时间有水会导致电机失效，因此此水管理设计有待改进，改进方案1 为：将挡板的高度增加10 mm。

2.2 挡板高度增加10 mm后进气阻力与水管理的模拟结果

当挡板高度增加10 mm 后，空调进气阻力模拟的速度流线图及压力云图，如图4所示。

通过图4 可以得出，此状态下外界到空调进风口的压降为212 Pa，进口压降相对于原来的（170 Pa）略有增加，此压力满足设计要求（设计要求前端空调进气的压降要小于235 Pa）。

前端水管理的模拟结果，如图5所示。图5 中，蓝色代表零件处于没有浸水的状态；红色代表零件处于完全浸水的状态；蓝色和红色之间代表有部分水会浸入到零件上。

通过图5 可以看出，空调进风口没有进水，电机表面没有进水（此状态下水恰好没有漫过挡板，但没有设计余量），此结构设计的水管理符合设计要求。为了使电机更加有保证性，有一定的余量，改进方案2 为：将挡板的高度增加18 mm。

2.3 挡板高度增加18 mm后进气阻力与水管理的模拟结果

当挡板增加18 mm 后，空调进气阻力模拟的速度流线图及压力云图，如图6所示。

通过图6 可以得出，此状态下，从外界到空调进风口的压降为253 Pa，进口压降随着挡板高度的增加继续增大，此压力不满足设计要求（设计要求前端空调进气的压降要小于235 Pa）。

前端水管理的模拟结果，如图7所示。图7 中，蓝色代表零件处于没有浸水的状态；红色代表零件处于完全浸水的状态；蓝色和红色之间代表有部分水会浸入到零件上。

通过图7 可以看出，空调进风口没有进水，电机表面没有进水（此状态下水未漫过挡板并且有一定的设计余量），此结构设计的水管理符合设计要求，水管理状态表现比较好。

2.4 结果分析

通过分析结果可以看出，未更改结构下空调进风口的阻力为170 Pa，水管理不满足要求，状态评价为差；当挡板高度增加10 mm 后，空调进风口的阻力为212 Pa，水管理满足要求，但没有设计余量，水管理的状态评价为中；当挡板高度增加到18 mm 后，空调进风阻力为253 Pa（设计值应小于235 Pa，空调进风阻力已超过了设计值得要求），进气阻力不符合设计要求，水管理由于存在设计余量，符合设计要求，水管理状态评价为好。

对于上文分析的3 种情况，在工程方面一般会选择方案1，即挡板增加10 mm，这样才能保证满足水管理的同时，尽量使进气阻力较小。

3 结论

通过更改挡板的结构可以看出，随着挡板高度的增高，水管理状态越来越好，但空调进风口的阻力越来越大，进气阻力状态却越来越差，由此可以得出，水管理与空调进风口的阻力存在相互制约的关系，因此在设计方面，要考虑两者的均衡性，如果在设计中只考虑一方面，必会造成另一方面相对较差，所以设计上要反复验证，找到最佳的状态点，在此分析结果中方案2 相对比较好，在满足水管理的同时也尽量使进气阻力较小。