新能源汽车空调箱风门啸叫问题排查及流场优化

付 余

艾泰斯热系统研发（上海）有限公司

0 引言

近年来，随着节能环保要求越来越高，汽车行业也在从传统汽车向新能源汽车发展。随着新能源汽车技术和智能驾驶技术的飞速发展，纯电汽车和混动汽车成了越来越多人的选择，人们对汽车的需求已经不仅仅满足于简单代步，更追求舒适放松的驾乘体验，汽车噪声、振动与声振粗糙度（NVH，Noise、Vibration、Harshness）作为衡量汽车制造水平和驾乘体验的综合性指标［1］，越来越受到整车石和上游供应商的重视。

与传统汽车相比，纯电动汽车使用三电系统取代传统燃油车的发动机燃油系统等相关动力单元，发动机、进排气系统的消失使得汽车整体噪声水平大幅降低，空调系统的噪声问题随之更加凸显［2］。作为空调系统供应商，在空调系统设计过程中，对噪声控制水平的要求也越来越高。噪声问题的识别方法包括主观评价和客观测试，噪声问题的识别及优化更多的是依赖试验。而随着新能源汽车市场竞争压力的增加，项目周期越来越短，设计质量要求越来越高，在试验资源有限的情况下，更要求工程师在设计初期尽量规避可能产生的设计问题，因此，仿真计算在设计过程中的作用愈发重要。而噪声仿真计算与流场仿真计算相比，计算模型更大，网格划分的精度要求更高，网格数量更多，模型处理更为复杂，计算周期更长，计算准确度不如流场计算高。对于空调箱设计，由气流变化引起的噪声问题，我们更希望通过对比流场特性，从流场上分析问题产生的机理，在设计初期发现潜在的噪声风险，并通过CFD 计算，筛选出可行的优化方案，减少试验次数，缩减研发周期。

对于纯电动车空调箱的设计而言，主要关注的噪声问题有以下三种，鼓风机电机噪声、叶轮的BPF（Blade Passing Frequency）噪声以及气流噪声。风门啸叫问题是属于气流噪声问题，其成因与风门附近的流场有着密切联系，风门设计和风门位置对啸叫具有决定性作用［3］。通过分析风门小角度流场特性，进行风门附近结构优化。以某纯电动汽车空调系统的空调箱设计为例，针对空调箱异响排查试验中出现的风门小角度啸叫问题，确定试验排查方法，制定通用的风门啸叫产生位置试验排查流程，并通过计算流体动力学原理（CFD）仿真计算，从流场上分析啸叫形成的原因，拆解啸叫形成的影响因素，提出相应的结构优化方案，并通过仿真计算对比多个优化方案的流场，分析其可行性及优化效果，最后进行试验验证。旨在通过流场仿真计算，分析风门小角度啸叫形成的要素，在前期设计过程中规避啸叫的形成，提升设计质量，节约设计时间及成本，更好地满足客户的设计技术要求。

1 空调箱结构介绍及啸叫问题现象说明

1.1 某纯电动汽车空调箱结构介绍

根据该电动车热管理系统设计，空调箱为三区空调箱，由进风箱、鼓风机、蒸发器、分配箱组成（如图1），其中分配箱包括内部冷凝器、高压PTC、各模式风门、上下旁通风门及前后分区风门（如图2）。对空调系统而言，外界空气在鼓风机作用下进入者PTC 的功率来实现不同出风口的温度调节。上下旁通风门的作用是在吹面吹脚模式，实现冷热混风，保证吹面出风口和吹脚出风口的温差（不同项目舒适度标定要求不同，吹面吹脚温差要求不同，本项目要求在试验工况下，吹面温度不超过30 ℃，吹面温度低于吹脚温度8～15 ℃）。本项目为了实现吹面吹脚模式上、下温差的要求，上下旁通风门开度较小，上旁通风门开度为6°，风门与风门挡之间的间隙为3 mm。下旁通风门开度为8°，风门与风门挡之间的间隙为5 mm。

图1 空调箱组成示意

图2 分配箱中风门介绍

1.2 啸叫问题现象说明

在空调箱气流异响检查时，吹面吹脚（Bilevel）模式下，上旁通风门从全关位置逐渐打开的过程中，当风门软胶离开风门挡到风门软胶离开同心圆区域（风门开度约12°时，出现啸叫的风门形成区间如图3 所示），鼓风机风量从最小挡位到最大挡位，均出现气流“吹口哨”的声音，即高频的气流啸叫声，随着风量的增加，气流啸叫的声音更加尖锐、明显。同时，吹面吹脚模式下，风门从全开到全关的HVAC 空腔，然后通过蒸发器、内部冷凝器及高压PTC 后从空调箱各模式风门（吹面风门、吹脚风门、除霜风门）到空调箱各出风口，从而实现制冷、采暖、过滤等功能。通过各风门的配合，实现不同的模式组合。

图3 风门啸叫行程范围示意

与传统汽车空调箱相比，空调箱的冷源均为蒸发器，而热源则由传统车的暖心，变为内部冷凝器和高压PTC，对空调箱的温度控制来说，取消了传统汽车空调箱的温度风门，通过调节内部冷凝器或过程中，当风门软胶进入壳体下部同心圆区域到风门全关，啸叫声音明显，且随着鼓风机挡位升高，啸叫声愈尖锐。

2 空调箱风门小角度啸叫排查流程

根据上述啸叫问题现象，首先锁定风门啸叫产生的风门角度范围，本项目产生啸叫的风门角度范围为风门离开门挡到风门软胶离开风门底部同心圆区域，风门开角为4°～16°（上旁通风门全关时的过压角度），角度区间为12°。

其次进行风门啸叫产生的具体位置排查。上旁通风门由同轴连接的左右两个风门组成，风门与壳体之间共形成8条间隙，参照对风门的位置，可分别命名为上边、下边、左边和右边，如图4 所示。锁定对啸叫形成有贡献的间隙，需对这个间隙进行排查，排查的方法采用逐边排除法，将上旁通风门开至产生啸叫的角度区间，选定要排查的边（上边或下边或左边或右边），用胶带将其余边封住，保证不透风，在此状态下，开启鼓风机，判断啸叫声音是否存在，若啸叫消失，则该边对啸叫声音形成无贡献；若声音存在，则该边对啸叫的形成有贡献，需判断该边是否为啸叫形成的唯一贡献边，即仅将选定边封堵，判断啸叫声是否存在，若声音消失，选定边为唯一贡献边，若声音存在，则其他边对啸叫依然有贡献，在当前状态下，在其余未封堵的边中重新选定排查边，重复上述单边贡献位置锁定的排查流程，直到找出全部对啸叫有贡献的边。基于以上风门啸叫问题排查流程，总结整理气流啸叫问题位置锁定的排查流程如图5所示。

图4 啸叫位置排查流程示意图

图5 啸叫位置排查流程示意图

本文研究项目的风门啸叫问题，通过对风门上边、下边、左边及右边间隙进行啸叫排查，仅在风门下边有间隙，其他三边密封的状态下，“吹口哨”似的气流啸叫声存在，锁定产生啸叫的间隙为上旁通风门的下边。

3 CFD流场计算分析及优化方案流场计算

采用有限体积法对分配箱进行仿真计算，以重整化群（RNG）k-ε 湍流模型［4］结合（Scalable）壁面函数［5］得到初始流场，本文仿真计算模型为空调箱蒸发器后至空调箱出风口位置，计算模型及边界设置如图6 所示。仿真计算工况为吹面吹脚模式（Bilevel 模式），上下旁通风门为啸叫产生时的最小开度（4°），计算边界为流量入口，空调箱出风口为压力出口。仿真计算采用双精度，二阶格式SIMPLE 算法［6］。

图6 计算模型及边界

3.1 原始方案啸叫工况下流场计算结果分析

原始方案上旁通风门软胶上下为1.5 mm 小锯齿，齿间到空调箱壳体的间隙为2.5 mm。上旁通风门结构见图7。

图7 上旁通风门原始方案

在吹面吹脚模式下，分别计算上旁通风门开度为4°和开度16°时，即啸叫产生的初始位置和啸叫消失的位置两种状态下空调箱的流场。啸叫的产生与通过上旁通风门下部间隙的最大速度、流经通过上旁通风门后流场的速度分布密切相关。分析上旁通风门附近的流场，总结如下：

1）上旁通风门开度为4°时，风门与门挡最小间隙为1 mm，上旁通风门下部间隙最大速度为25.3 m/s，从图8 流场形态来看，气流通过上旁通风门与门挡间隙后，经过上旁通风门下部与壳体同心圆的间隙，平顺（无阻碍）地吹入到相对速度较低的空调箱上部空间，形成了“吹瓶子”效应，此状态下啸叫明显。特征截面速度分布云图见图8。

图8 上旁通风门开度4°时特征截面速度分布云图

2）上旁通风门开度为16°时，上旁通风门附近的最小间隙为风门下部与壳体同心圆处的间隙为3 mm，上旁通风门下部间隙最大速度为22.6 m/s，从图9流场形态来看，上旁通风门下游腔体内气流速度相对速度较高，与风门开度4°时相比，上旁通风门与壳体间隙增加，最大速度降低，上旁通风门下游腔内气流扩散更充分，且下游腔体内气流速度较高，此状态下无啸叫。特征截面速度分布云图见图9。

图9 上旁通风门开度16°时特征截面速度分布云图

综上所述，结合该项目中上旁通风门的布置位置及风门开启后气流流动特点，总结出形成啸叫的主要影响因素为流经上旁通风门下边的最大速度和下游气流通路是否顺畅，形成“吹瓶子”效应。该项目在该工况下，解决啸叫问题可从两个方向入手，第一是降低上旁通风门下边流速，控制上旁通风门附近最大流速不超过22 m/s，第二是阻挡气流通路，改变高速气流平顺吹出方向，增大风门下游气流扩散面积。据此提出以下3种优化方案见图10。

图10 上旁通风门优化方案示意图

1）方案1：改变风门软胶的风门底部与壳体间隙，风门软胶采用3 mm深锯齿。

2）方案2：改变风门软胶的风门软胶底部的形状，风门软胶采用1.5 mm矩形锯齿。

3）方案3：改变风门下部气流方向，在壳体同心圆中间位置加1 mm高的挡筋。

3.2 啸叫优化方案流场计算结果分析

在吹面吹脚模式下，上旁通风门开度为4°时，分别计算三种优化方案该工况时的流场，计算结果对比见表1。

表1 优化方案流场对比分析

综合以上最大速度及流场分布云图分析，方案1 和方案3 最大速度小于22 m/s，且上旁通风门后侧流场较原始方案扩散更充分，但方案3 风门行程到挡筋位置时，无法做到风门软胶与挡筋表面零贴近，小间隙依然存在啸叫风险，经对比，选择方案1作为优化方案进行试验验证。

4 优化方案试验验证

3D 打印方案1 上旁通风门软胶3 mm 深锯齿风门，在吹面吹脚模式下，上旁通风门行程从全关逐步到全开，再从全开到全关，重点关注上旁通风门啸叫行程（4°～16°）内是否存在啸叫，经验证，方案1风门啸叫消失，与仿真分析结论一致。

5 结论

针对空调箱风门小角度气流啸叫问题，通过上文试验研究及仿真分析，可得出以下结论：

1）解决空调箱风门小角度气流啸叫问题需通过试验排查确定啸叫产生的具体位置，啸叫排查流程需形成闭环，保证啸叫产生位置查找的准确性。

2）风门小角度气流啸叫的产生与通过上旁通风门下部间隙的最大速度、流经通过上旁通风门后流场的速度分布密切相关，可通过流场分析确定啸叫产生的最大速度及流场分布特征，在设计前期规避问题，筛选优化方案等。

综上所述，采用仿真与试验相结合的方法，解决空调箱风门小角度啸叫问题主要根据啸叫产生位置的流场特性，从流场分析角度解决风门小角度啸叫问题。通过控制啸叫位置附近最大流速及下游流场形态，在设计前期预判啸叫问题的发生，提出优化方案。积累相关类型风门底部软胶形式设计经验，在空调箱设计阶段规避问题。总结了风门小角度气流啸叫问题的试验排查流程，以指导工程设计。后续可尝试设计异型及不规则的风门软件形式或在壳体上增加凸起以改变气流方向等思路来解决相关问题。