计算机模拟计算在汽车空调风量开发中的应用

王明明，郭　辉,封姿羽，于海珠

(1.空军航空大学计算机教研室，吉林长春 130022;2.长春工业大学信息传播工程学院，吉林长春 130012)



计算机模拟计算在汽车空调风量开发中的应用

王明明1，郭辉1,封姿羽2，于海珠1

(1.空军航空大学计算机教研室，吉林长春 130022;2.长春工业大学信息传播工程学院，吉林长春 130012)

[摘要]针对某车型新仪表板开发中空调吹脚模式下仪表板司机侧吹面出风口出风量偏大的情形，运用计算机模拟分析方法，完成对新仪表板中风道结构的优化，改善风量分配不均的不足，使其满足开发要求。

[关键词]计算机模拟分析；风量分配；风道优化

传统的汽车空调风道及出风口主要采用经验的设计方法，存在内部结构设计不明、气体流动状况不明、敏感部件无法准确记录等不足。通过计算机模拟的方法，可以记录任意结构细节的变动对于性能影响的贡献，快速形成不同的结构方案供设计师选择，在提高工作效率的同时缩短开发周期，并且作为长期的知识积累留下充分的证据和材料。

本文的研究背景是在某车型仪表板的全新开发中，路试试验抱怨在空调吹脚模式下左侧(司机侧)吹面出风口风量偏大。通过CFD计算机模拟分析的手段，能够找到问题产生的根源，进行相应的结构优化，为最终问题的解决提供准确的预测和结构优化的指导。

1计算方法及计算模型

1.1控制方程组

CFD(计算流体动力学)的控制方程组为N-S方程，包括流体连续方程、流体动量方程及流体能量方程等。本文的控制方程组只包括连续方程和动量方程。

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

其中，u为速度，p为压强，μ为动力粘性系数，ρ为密度。

通过以上方程，把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场量之间关系的代数方程组，然后通过计算机求解代数方程组获得场变量的近似值。

1.2计算资源

计算时采用36个CPU并行计算，每天可以完成5个方案的计算,确保了计算效率。

1.3计算模型

在模拟计算介入后，首先根据路试状态仪表板结构，分别对空调吹脚模式和吹面模式下风道进行模型搭建，并作为基础模型(图1和图2)。进口设为质量流量进口，出口为压力出口边界条件,湍流模型选择k-epsilon standard。

图1　吹脚模式风道基础模型

图2　吹面模式风道基础模型

2问题背景、计算验证及优化目标

2.1路试抱怨

某车型新仪表板路试抱怨，在空调吹脚模式下，司机侧吹面出风口出风量明显偏大，影响用户体验。

2.2基础模型模拟计算

对基础模型进行了计算分析，吹脚模式下司机侧吹面出风量分配百分比为12.1%，副司机侧仅为3.5%，司机侧出风量约为副司机侧的3倍。模拟计算结果，也证实了路试抱怨问题的存在。

图3　吹脚模式出风口风量分配百分比

在图3中，PAS_SL为左侧(司机侧)吹面出风口，PAS_ML为中间左侧吹面出风口，PAS_MR为中间右侧吹面出风口，PAS_SR为右侧(副司机侧)吹面出风口，FAS_FL为前排左侧吹脚出风口，FAS_FR为前排右侧吹脚出风口，FAS_RL为后排左侧吹脚出风口，FAS_RR为后排右侧吹脚出风口。

分析图4、图5可知，大部分气流吹向司机侧，仅仅小部分气流流向副司机侧。产生该问题的原因是气流进入风道连接件后，由于壁面的阻碍和反射，导致气流方向发生改变。因此，要解决吹脚模式两侧吹面出风量不均问题，应该从调整风道连接件内部气流流向着手。

图5　吹脚模式风道连接件内部流场结构

2.3优化目标

模拟计算结果和试验结果，均表明吹脚模式下司机侧吹面出风口风量偏大。因此，优化目标是降低司机侧吹面出风口风量，使两侧吹面出风口风量均匀。同时，需要注意的是，在优化吹脚模式过程中，风道结构的改变可能影响吹面模式的风量分配。

3优化分析

3.1探索优化方向

根据流场结构分析，通过优化更改风道连接件来调整气流方向，从而改善流量分配。优化方案Opt_01是在风道连接件内添加一个导流片，诱导气流向副司机侧流动,模拟计算结果表明，两侧吹面出风口流量分配得到明显改善,且吹面模式不会受到影响。同时，探索其它优化方向，方案Opt_02是在左侧风道内添加一导流片，阻碍气流向司机侧流动。方案Opt_02虽然使流量分配得到一定改善，但是吹面模式流量分配变差,该优化方向行不通。

图6　优化方案Opt_01、Opt_02结构更改

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进一步优化

为进一步优化吹脚模式吹面出风口风量分配，优化方案Opt_05根据前面的方案，在风道连接件内添加第二个导流片。计算结果表明两侧吹面出风口流量分配基本均匀，吹面模式不会受到影响。

优化方案Opt_08是根据方案Opt_05，考虑工艺要求，使中间导流片的高度降低到9mm(Opt_05高度为15mm)。计算结果表明，吹面出风量司机侧为8.6%、副司机侧为6.5%，还需要进一步优化，吹面模式不会受到影响。

优化方案Opt_12是在方案Opt_08的基础上，左侧导流片延长10mm并向右偏移10mm，中间导流片延长30mm。流量分配得到进一步改善，吹面模式不会受到影响。

图7　优化方案Opt_05、Opt_08和Opt_12结构更改

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满足优化目标

优化方案Opt_16是在方案Opt_12的基础上，考虑工艺要求修改完善的方案，吹面出风量司机侧8.2%、副司机侧6.8%，与此同时，吹面模式不会受到影响。

优化方案Opt_17是在Opt_15的基础上收缩风道完成的，吹面出风量司机侧7.8%、副司机侧7.4%，左右吹面出风口流量分配比较均匀，吹面模式不会受到影响，但是生产模具会发生较大改变。

优化方案Opt_18是在方案Opt_16的基础上，添加第三个导流片，吹面出风量司机侧7.7%、副司机侧7.5%，两侧吹面出风口流量分配基本相同，吹面模式不会受到影响。

图8　优化方案Opt_16、Opt_17和Opt_18结构更改

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各优化方案流量分配效果

受篇幅限制，本文只分析了部分优化方案，其余优化方案不再赘述。为了使大家了解整个模拟计算的优化过程，表4展示了整个项目所有优化方案各出风口风量分配百分比。

表4　各优化方案出风口风量分配百分比

4试验验证及方案确定

4.1试验验证

本人根据模拟计算结果，向结构工程师推荐了优化方案Opt_5和优化方案Opt_16，为验证效果，结构工程师制作了快件并进行了试验。表5为空调吹脚模式和吹面模式的试验结果和计算结果，表中给出的是司机侧吹面出风量和副司机侧吹面出风量的比值。

与此同时，将快件(根据方案Opt_16制作)装到实车上，先由结构工程师、模拟计算工程师等相关专家进行主观舒适性感受，两侧出面出风口风量一致，没有发现明显区别，路试抱怨成功解决；样车送往评价，该问题被完美消除，没有任何抱怨。

表5　司机侧吹面出风量和副司机侧吹面出风量的比值

4.2方案确定

从风量分配效果看:(1)优化方案Opt_05效果还是比较好的，但是方案Opt_05中添加的导流片高度太高，不满足工艺生产要求；(2)优化方案Opt_16的计算结果和试验结果均表明，该方案流量分配较好，可以满足技术要求。综合考虑生产工艺要求、经济性以及生产时间安排等情况，结构工程师采用方案Opt_16。

5结论

本文通过真实项目某车型空调吹脚模式风量分配优化计算案例，对整个计算过程进行了提炼。(1)通过计算机模拟的方法，则可以记录任意结构细节的变动对于性能影响的贡献，快速形成不同的结构方案供设计师选择，提高工作效率的同时缩短开发周期，作为长期的知识积累可以留下充分的证据和材料；(2)对于空调风量分配的模拟计算分析，可以做到与试验结果的统一，通过模拟计算的方法，可以有效地指导结构部件的设计；(3)模拟计算的主要工作集中在开发工作的中前期，通过大量的模拟方案能够确定正确的设计方向。

[参考文献]

[1]陈国良.并行计算[M].北京:高等教育出版社,2003.

[2]陈科.基于高性能计算机的并行计算研究[D].大连:大连理工大学,2011.

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[4]阙雄才,陈江平.汽车空调实用技术[M].北京:机械工业出版社,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

[作者简介]王明明(1984- )，女，讲师，从事计算机应用、数据挖掘研究。

[通讯作者]郭辉(1961- )，男，副教授，从事计算机控制研究。

[中图分类号]U463.851

[文献标识码]A

[文章编号]2095-7602(2016)06-0060-05