基于Flowmaster的车辆空调系统数值模拟

蒋东章，梁林，陈希，郭富男

(中国矿业大学电力工程学院，江苏徐州 221116)

基于Flowmaster的车辆空调系统数值模拟

蒋东章，梁林，陈希，郭富男

(中国矿业大学电力工程学院，江苏徐州 221116)

随着汽车越来越普及，人们对汽车舒适性的期望值不断提高。汽车空调系统决定了汽车内空气的质量、温度、湿度等，其性能对舒适性有直接的影响。利用一维流体系统模拟仿真软件Flowmaster分别对汽车空调系统的稳态、动态特性进行仿真分析。结果表明：随着制冷剂充注量的增加，制冷量和制冷系数呈现先增后减的趋势，这期间均会出现一个峰值，但是，最大制冷量并没有对应制冷系数的最大值。通过动态分析可以发现：压缩机的排气压力和冷凝温度会随着压缩机转速的降低而显著下降，空调系统的制冷系数也会由于压缩机吸气压力和蒸发温度的升高而改善。

汽车空调；Flowmaster软件；数值模拟；稳态特性；动态特性

0 引言

对于计算机仿真技术在空调制冷系统上的运用，可以追溯到20世纪六十年代[1]。到了20世纪九十年代，集中参数和分布参数的研究得到了进一步的发展，并向实用型转化[2]。R N N KOURY等[3]构建的模型中，蒸发器和冷凝器被分解成大小一样的控制单元，通过能量、动量方程、质量方程列出每个单元与时间相关联的平衡方程，对其进行计算求解。王瑞等人[4]发现尖角波纹翅片的传热效果优于圆角波纹翅片。陈友明等[5]着重研究空调冷水系统的流量、压力及温度分布，简化模型，不建立冷水机组的仿真模型。全静[6]利用Flowmaster对制冷系统进行仿真建模，并分析了制冷部件中的流量、压力的分布变化情况，了解制冷系统的运行特性。梅星新等[7]利用建立的冷水系统模型得到参数的仿真数值，并与设计值进行比较分析。

随着汽车工业的不断发展，近年来车载空调系统的研究越来越得到关注。X YANG等搭建了一个新的电动车空调系统[8]，对空气叶片压缩机的动态进行了分析设计。陆强等人[9]也利用Flowmaster软件对列车用空调制冷系统进行建模和仿真。S P DATTA等[10]设计了具有电荷状态变化的系统蓄电池，用于改善汽车空调的性能。G ZHOU等利用热泵联合除霜性能试验，研究纯电动汽车低温空调系统[11-12]。李丽等人[13]针对纯电动汽车设计了一套蒸汽压缩式冷暖双模式热泵空调系统，结果表明热泵空调系统具有可行性。C YUE等[14]分析了与车辆空调系统耦合的ORC系统的热经济性，发现工质对于系统有着显著的影响。目前，汽车空调系统的研究多为实验优化，对于稳态和动态下参数的变化对于空调系统性能影响的一维模拟研究还比较少。

作者利用一维流体系统仿真软件Flowmaster搭建汽车空调系统模型。在稳态下改变汽车空调系统制冷剂的充注量，观察空调系统各个参数的变化及系统的运行特性；在动态下降低汽车空调系统压缩机的转速，观察系统各个参数随时间的变化以及对系统性能的影响。

1 汽车空调系统建模

在Flowmaster软件中选择汽车空调系统的元件目录，选取空调系统中的主要部件如压缩机、冷凝器等，逐一拖拽到网络中并按空调系统的工作原理逐一连接起来，输入空调系统中的相关参数[15-16]，最后形成了如图1所示的空调系统模拟仿真设计图。

图1 汽车空调系统模拟仿真设计图

2 结果与讨论

2.1 不同工质对汽车空调系统的影响

汽车空调系统的性能与工质有密切关系，需要在相同的工况条件下，分析和比较各种工质的循环性能，来筛选确定最佳的工质[17]。

如图2所示：在模拟工况下，R141b的系统热效率最高，单位工质的循环净功Wnet和不可逆损失I中仅次于R152a。分析各工质的状态点参数，发现R152a、R134a的冷凝温度低于0 ℃。在实际情况下，这样的低温热源无法获得，故不予考虑。因此选择R141b作为循环工质。

图2 各工质的模拟参数

2.2 制冷剂充注量对汽车空调系统的影响

保持压缩机转速为1 800 r/min，以R141b作为循环工质，冷凝器、蒸发器的通风量分别为0.25、0.66 m3/s。改变系统中制冷剂的充注量为0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 kg。

由图3和图4可以看出:当制冷剂的充注量增多时，蒸发器内的制冷剂相变管段变长，在充注量为0.7 kg时，蒸发器内沿流动方向的制冷剂温度变化最快。因整个蒸发器的管道长度不变，则制冷剂的过热管段变小，所以蒸发器出口过热度变小，压缩机的吸气温度降低。

图3 压缩机吸气温度、蒸发器过热度随充注量的变化

图4 蒸发器内沿流动方向的制冷剂温度在不同制冷剂充注量下的变化曲线

从图5可观察出制冷量随制冷剂充注量的增多而变大，在到达最高点后开始变小。

图5 制冷量、制冷系数COP随充注量的变化曲线

由图6可以看出,冷凝器内的相变管段随着制冷剂充注量的增多而变小。由于系统中制冷剂充注量变多，系统用于制冷循环的制冷剂量也因此变多，导致制冷剂发生相变的管段变长。又因为相变换热对整体换热量的影响较明显，因此系统的制冷量变大。但是随着制冷剂的充注量越来越多，蒸发压力、蒸发温度也在升高，蒸发器与周围空气之间的传热温差开始减小。虽然蒸发器管道中的有效传热面积增长，但与传热温差的降低速度相比，有效传热面积增加的速度较慢，传热温差减小对于制冷量的影响更加明显，所以制冷系统的制冷量开始下降，故产生了一个峰值。

图6 冷凝器内沿流动方向的制冷剂温度在不同制冷剂充注量下的变化曲线

2.3 压缩机转速降低时系统的变化

当汽车减速时，发动机转速降低，由于压缩机与发动机相连，因此，在车辆减速的过程中，压缩机的转速也在降低，转速降低会对空调系统产生影响。模拟压缩机转速降低时，整个汽车空调系统的动态变化。

保持系统中除压缩机转速外的所有参数不变，其中循环工质为R141b，冷凝器、蒸发器的通风量分别为0.25、0.066 m3/s，制冷剂的充注量为0.9 kg，压缩机转速随时间的变化如图7所示。

图7 压缩机转速随时间的变化曲线

图8 压缩机排气压力随时间的变化曲线

由图7—8可以看出：压缩机转速降低，排气压力下降，在变化的过程中振幅较大。压缩机转速降低后，R141b 蒸汽被压缩，排气压力迅速下降，但是由于滑片在甩出滑槽时受到润滑油黏度引起的黏性阻力的影响，不能实现启动瞬间就完全甩出滑槽，从而与气缸壁面达到很好的压力接触。这就造成前、后压缩腔之间的气体泄漏量很大，要达到稳定需要一段时间的运转。这个过程是渐缓的，所以排气压力下降速度先快后慢。

由图9—10可以发现：蒸发温度随着压缩机转速的降低而升高，温度的变化相对平稳；系统制冷量、压缩机轴功率在转速降低的过程中都在下降，但压缩机的轴功率下降更加明显，所以整个系统的制冷系数在转速降低时是增加的。

图9 蒸发温度随时间的变化曲线

图10 系统制冷量随时间的变化曲线

3 结论

利用一维流体系统仿真软件Flowmaster建立了汽车空调系统模型，主要对汽车空调系统在不同工况下的稳态和动态性能进行了模拟分析。主要结论如下：

(1)系统稳态研究表明：增加制冷剂的充注量后，压缩机排气压力和排气温度也随之升高；制冷量和制冷系数在这个过程中，均呈现出先增加后减少的变化趋势，并存在一个最大值；然而，当空调制冷量达到最大时，对应的制冷系数还未达到最值。

(2)系统动态研究表明：通过降低压缩机的转速，能够明显降低压缩机的排气压力、提高吸气压力；蒸发温度也会随着冷凝温度的升高而下降；但是，当排气压力和冷凝温度变化时，系统运行会出现较大的不稳定振幅。

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NumericalSimulationofVehicleAirConditioningSystemBasedonFlowmaster

JIANG Dongzhang, LIANG Lin，CHEN Xi,GUO Funan

(School of Electric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China)

With more population of automobiles, people have more expectation for economic and comfort towards car driving. Automobile air conditioning (AC) system determines the quality of air, temperature and humidity in the car, and therefore the capability of AC system has a direct impact on the people’s comfort.The steady-state and dynamic characteristics of automotive air conditioning system were simulated and analyzed by using one dimensional fluid system simulation software Flowmaster respectively. The results show: with the refrigerant capacity increasing, both the refrigeration capacity and coefficient are rising before dropping, and there exists a maximum, but the corresponding refrigeration coefficient is not at the peak while the refrigerant capacity is the maximum. In the dynamic analysis, the compressor speed is reduced,and then the compressor discharge pressure and condensing temperature drop significantly; while the suction pressure of the compressor and the evaporation temperature are slightly increased, the coefficient of refrigeration is rising.

Air conditioning system; Flowmaster software; Numerical modeling; Steady-state characteristics; Dynamic characteristics

U463.85+1

A

1674-1986(2017)11-018-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.004

2017-06-24

中国矿业大学创新训练计划(20160223)

蒋东章(1995—)，男，本科生，主要研究方向为低温余热利用。E-mail:17145419@cumt.edu.cn。

梁林，E-mail:lianglin@cumt.edu.cn。