基于STAR-CCM+的汽车空调风管设计及优化研究

（中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300）

引言

汽车空调作为汽车内部不可缺少的系统之一已经越来越受到各大整车企业的重视，汽车空调的性能好坏主要取决于空调系统本身的匹配，但是如果空调本体的HVAC 和空调风管设计不合格，从某种程度上也会制约空调性能的充分发挥。反之，一旦空调风管设计满足设计规范要求，那么空调系统的舒适度将会得到极大的提升和改善。计算流体力学（CFD）的相关仿真计算原理在汽车上已经得到了广泛的应用，它可以部分取代物理试验，在计算机上模拟试验过程，极大地减少试验次数，节约试验经费[1]。

本文应用三维流体软件STAR-CCM+，分析空调系统吹面模式下，乘员舱4 个出风口的配气比，找出配气比不均匀的原因，并对空调风管进行了优化改进，最后通过3D 打印生成优化后的风管模型进行试验，通过试验验证了仿真的精度和优化后的效果，达到了空调风管的设计要求。

1 空调风管模型

图1 所示为空调风管的完整物理模型，为了计算的准确性，对于空调风管的主要特征结构都给予了保留。空调风管总成是由HVAC 和4 个风管组成，HVAC 里包含空气滤清器、蒸发器等滤芯，4 个风管分别对应乘员舱内部左侧风管，中间两个风管和右侧风管，计算结果证明，这样的风管模型对于计算精度提升很大。

图1 空调风管模型

2 数学计算模型

2.1 数学模型

本次计算是基于流体力学的控制方程解析，因此需要数值求解关于流体的三类方程，分别是质量守恒方程，动量守恒方程和能量守恒方程，针对空调风管的计算分析可以对仿真模型做如下假设[2]：

1）流场中的空气为不可压缩气体，即空气密度为常数；

2）流场中的湍流形式为雷诺平均湍流；

3）不考虑空气重力的影响；

4）HVAC 入口为均匀的流量入口，出口为压力出口。

根据数值计算方法在空调风管流场中的特点，湍流模型采用k-ε 三维湍流中的二方程模型，把质量、动量和能量守恒方程、k 方程、ε 方程表示成通式为

式中：φ 为通用变量，Γ 和S 是与φ 相对应的广义扩散系统及广义源项，ν 为速度矢量，ρ 为空气密度。当φ 取不同的物理量时，式（1）中对应不同的控制方程，其对应关系如表1 所示。

表1 φ 的取值与对应的值

表1 中：u、v、w 为x、y、z 三个方向上的速度，T为温度，k 为湍流动能，ε 为湍流动能耗散率，μ 为粘性系数，μt为湍流粘性系数，G 为湍流应力，Cμ、C1、C2、Γk、σε、σT、σk均为常数，Z 为z 方向坐标，Pr为普朗特数，Su、Sv、Sw分别为x、y、z 三个方向上的源项。μt和G 分别满足以下关系式

各常数取值如下：Cμ=0.09，σT=0.95，σk=1.0，C1=1.44，C2=1.92，σε=1.3，g 为重力加速度，所有的外面：u=v=w=0。

空调风管计算域采用多面体网格，总网格数56×104。

2.2 边界条件

由于本次计算分析考察的是定常流动，因此设定空调系统HVAC 进口风量为500 kg/h，出风口设定背压为0。

3 空调风管优化分析

3.1 初始空调风管计算

为了满足计算的最高精度以及之后优化的最好效果，本文采用的模型为包含HVAC 和出风口格栅的模型[3]，如图2～4 所示。

图2 空调风管模型1

图3 空调风管模型2

图4 空调风管模型3

在空调风管的设计、优化中，最为重要的指标是吹面风管4 个出风口的风量比例，通常叫做配气比，满足4 个出风口的配气比25%±5%，那么这样的空调风管设计认为是合格的。对空调风管模型3 进行计算，计算出4 个出风口的配气比为36.2%、23.8%、19.5%、20.5%。显然，此出风口的配气比不能满足设计要求，需要对风管模型进行优化。

3.2 空调风管优化方案

得出初始模型的计算结果之后，对空调风管的各个部分进行优化，优化的主要对象为风管的造型结构，由于风管的安装位置在仪表板以下前围之后，因此它的结构受到诸多条件的约束，能优化的部分不多，本轮优化从中选取几处展开，如图5 所示。

图5 空调风管优化

3.3 空调风管优化对比分析

通过上述几处风管的优化，组合出3 组优化风管模型，加上初始风管共4 组模型，分别编号为case1、case2、case3 和case4，对这4 组方案分别计算分析。

给定HVAC 进风口空气流量为500kg/h，分别计算出这4 种方案4 个出风口的配气比，并对照配气比设计要求进行分析，如图6 所示。

图6 不同模型配气比分析

从计算结果来看，case4 的配气比满足了25%±5%的指标要求，它是几组模型中最优的一个方案。

4 优化风管试验对比分析

通过上述的计算分析，得出case4 满足了配气比的技术指标，但这仅仅是计算分析的结果，还需要在试验中给予验证，因此对于case4 的风管制作了快速原型件，通过风道测试试验台对空调风管4 个出风口的风量进行测试，测试结果如表2 所示。

表2 计算和试验结果对比 %

从表中可以看出，计算分析的结果与试验结果误差在7%左右，计算分析结果可以用于空调风管的设计和优化。

5 结论

本文利用计算流体力学基本理论，借助三维流体仿真软件STAR-CCM+，完成了汽车空调风管的优化设计，并通过制作模型样件，进行台架试验验证了计算仿真的精度，证实了本仿真模型完全可以用于空调风管的设计和优化。