汽车空调箱内空气流动的数值模拟研究

郭 莹，李 钢

● （上海德尔福汽车空调系统有限公司，上海 201204）

汽车空调箱内空气流动的数值模拟研究

郭 莹，李 钢

● （上海德尔福汽车空调系统有限公司，上海 201204）

建立了汽车空调箱的数学模型，与换热器的单体吹风实验结合，采用多孔介质模型计算了空气在蒸发器与暖风芯体间的压力降。通过分析换热器内部速度场、压力场，揭示了空气在空调箱内的流动特性。结果表明：由于蒸发器迎风面积较大，蒸发器侧的压力损失不高，而在暖风芯体处，由于通道扩张不充分，芯体处的速度场不均匀，流体在箱体边缘发生了回流，降低了芯体的换热效能。在出口处，存在较强涡流，是空调箱阻力的主要来源。

汽车空调箱；空气流动；数值模拟

通过设置模式风门和温度风门的不同开度，送风方式可以分为全冷、全热、加热冷却并进、除雾和除霜模式。在进行制冷时，由于需要驱动压缩机，空调的使用往往会影响汽车的动力性和经济性，比如爬坡能力、加速性能和油耗，因而要求汽车空调具有较高的能效比(COP)。但由于冷凝器尺寸受到车身结构限制，往往设计的较小，为了达到所需的制冷量，冷凝温度较高，这就导致了汽车空调的

0 引言

随着生活水平的提高，空调在乘用车上的重要性日益突出。空调能调节车厢内热微环境的舒适性，保证车内空气的温度、湿度、洁净度、流速和气动噪声在合理范围内，可以提高汽车乘坐的舒适性，对汽车的行驶安全性也有促进作用。正因如此，汽车空调技术也成为了提高汽车市场竞争能力的重要手段。自1940年，Packard公司生产出第一台装有制冷机的轿车以来，空调在汽车上的安装率迅速能耗比较低(只有家用空调的50%)[1]。

外部和内循环空气混合后进入鼓风机，通过风道的导流使吸入空气依次通过鼓风机、蒸发器和加热器，最后通过送风管道向车厢内送风。为了提高汽车空调的效能，需对空气侧的流体组织进行优化，在保证制冷效果的同时，降低空气侧的流动阻力。由于结构尺寸限制，并且经过多个换热器件，致使汽车空调箱内部流动和传热规律较为复杂。传统的空调箱设计一般依靠简单的理论和实验分析确定，需要大量的实验费用，新品研发周期长，无法适应目前激烈的汽车市场竞争。而计算流体力学方法(CFD)为优化空调系统气流组织提供了新的方法，在提高空调研发效率的同时，降低了研发成本。CFD 技术在 Delphi、Denso、Air International等汽车空调公司获得了广泛应用，获得了较好的经济效益。

Marzy等对汽车暖风系统进行了模拟[2]， Williams等采用模拟技术获得蒸发器总成(HVAC)内的速度和静压参数[3]。吴金玉对HVAC内部的速度场和压力场进行了模拟，分析了送风量的影响[4]。贾传林采用CFD技术模拟了对风道内的风量分配进行了分析[5]。

本文针对实体汽车空调箱建模，应用数值方法模拟箱体内的空气流动情况，对速度场、压力场等信息进行分析，研究箱体结构与性能之间的关系，为空调箱的结构改进提供了研究基础。

1 物理数学模型

1.1 空调箱模型

汽车空调箱壳体内安装有鼓风机、蒸发器、暖风芯体、风门等元件，如图1所示。通过两个风门的位置，可以控制空调的运行模式。

图1 汽车空调箱内部结构

空气在箱体内的流动为三维湍流流动过程，采用 k-ε模型，控制方程如下：

连续方程：

动量方程：

能量方程：

k方程：

ε方程：

式中，λ为导热系数；ρ为密度；μ为动力粘度；cρ为比热容；T为温度；k-ε模型中 μt=cμρk2/ε，cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

蒸发器与加热器均为紧凑式换热器，换热器尺寸及翅片结构形式对空气的流动与换热均存在重要的影响。由于计算效率和网格总数的限制，无法对换热器具体结构形式进行建模。将这两个换热器作为多孔介质进行处理，多孔介质的阻力系数由蒸发器和暖风芯体实验获得的压降和流速的获得[4]。如此在不降低计算效率的同时，保证了模拟的准确性。

动量方程的源项为：

式中，α为渗透率；1/α为阻力系数；C2为惯性阻力系数；蒸发器的阻力系数为：

根据实验结果，暖风芯体的阻力系数为：

1.2 网格划分及边界条件

将图1的模型进行适当简化，采用gambit软件对流体通道进行网格划分，根据局部区域结构特点，分别采用六边形和四边形网格，网格总数为3×106个，如图2所示。

图2 空气通道网格划分

对蜗壳段进行简化，假设入口速度、温度均匀，风量取244m3/h，流速约为v=9.2m/s，进口温度T=313K。壳体采用绝热边界条件，出口设为outflow条件。蒸发器的换热量为4kW，暖风芯体热负荷为600W。

2 计算结果及分析

计算获得的速度矢量如图3所示。

图3 速度矢量图

在蒸发器段由于迎风面积较大，使经过蒸发器的空气流速较低，一定程度上降低了空气侧的换热系数。但由于空气流动方向与蒸发器垂直，能降低空气的流动阻力。经过蒸发器后，空气流通面积降低，导致在暖风芯体处，流速不均匀。

箱体内流线如图4所示，由于箱体边缘速度较低，形成涡流，部分流体形成了回流，减小了暖风芯体实际换热面积，影响了暖风芯体的换热效能，这与风道的扭曲程度有关，需对此结构进行改进，降低涡流产生的空间，也可节省安装空间。

在箱体出口也出现了涡流，在该处由于空气流速较高，涡流较强，将导致较大的压力损失。同时，涡流也将产生气动噪音，影响车辆乘坐的舒适性。从图可以发现，最大的阻力降出现在暖风芯体与箱体的出口之间，因此需对该位置的风道形状进行调整，减小涡流，降低阻力损失。

整体空调箱模拟的阻力损失为 785Pa，这与实验值(685Pa)实验数据相吻合。

图4 箱体内流线图

3 结论

本文建立了汽车空调箱的数学模型，并采用数值技术对箱内空气的流动进行了模拟，得到如下结论：

1）多孔介质模型能描述紧凑式换热器的阻力性能，在对空调箱模拟时能保证计算准确性的同时，降低网格数量，提高计算效率。

2）在暖风芯体处存在回流，降低了芯体有效换热面积，降低了芯体的传热效能。

3）在空调箱出口处存在较强涡流，是通道阻力降的主要来源，需对结构进行改进。

[1]于福义.现代汽车空调系统数值模拟仿真[D].重庆:重庆大学, 2005.

[2]Roland Marzy, Josef Hager.Optimization of vehicle worm-up using simulation tools[J].SAE Paper, 2001,(1): 1705-1709.

[3]Jack William.Aerodynamic drag of engine-colling airflow with external interference[J].SAE Paper, 2002,(1): 512-516.

[4]吴金玉,陈江平.汽车空调蒸发器总成及风道的数值研究[J].流体机械, 2008, 36(7): 59-62.

[5]贾传林,欧阳新萍.汽车空调箱优化设计及风道风量均匀性研究[C]//中国制冷学会.学术年会论文集.天津:中国制冷学会, 2009: 530-535.

Numerical Simulation of Air Flow in Automotive Air Conditioning Box

GUO Ying，LI Gang
(Shanghai Delphi Automotive Air Conditioging Systems Co., Ltd., Shanghai 201204, China)

The mathematical model of automobile air conditioning box is established.Combined with a single blow experiment of heat exchanger, the pressure loss of the air between evaporator and heater cores is calculated by using the porous media model.Through analyzing the velocity field and pressure field inside the heat exchangers, the air flow characteristic in the air conditioner is revealed.The results show that the pressure loss of the evaporator is small because of bigger windward area of the evaporator.At the heater cores, its velocity field is non-uniform, because the channel expansion is not sufficient.Reflux occurs at the air conditioner edge, the heat transfer efficiency of the core is reduced.There is stronger vortex at the exit of the air conditioner.It is the main source of air conditioner’s pressure loss.

automotive air conditioning box; air flow; numerical simulation提高，目前中、小型车的空调安装率已经接近100%。

TB657

A

郭莹（1982-），女，工程师。研究方向：汽车空调制冷系统。