基于CFD 技术的暖风芯体结构设计与优化分析

张金森，王 浩，王 永，王大健

（南京协众汽车空调集团有限公司，江苏 南京 211100）

1 引言

随着科技水平的不断发展以及人们生活水平的明显提高，消费者对汽车乘员舱的舒适性提出了越来越高的要求。汽车空调作为调节乘员舱内部环境的重要部件，对乘员舱舒适性起着至关重要的作用。汽车空调从功能上分主要有吹面、吹脚、除霜三大部分，其中吹脚、除霜两大功能均与暖风芯体的性能息息相关，如果空调箱内暖风芯体的换热性能不足将直接导致汽车采暖及除霜性能下降，从而影响车内乘员的舒适性，严重情况下可能使得汽车空调性能不能满足法律法规要求，最终对汽车的销量带来不利影响［1］。

近几年来，CFD数值仿真分析技术已日趋成熟。事实证明，在汽车设计开发过程中CFD仿真分析是一种真实有效的降低开发成本并提高工作效率的手段［2］。通过CFD仿真分析可直观便捷地观察到系统及零部件内部流场的速度、压力及湍流的详细分布情况，弥补了试验测试手段的不足，有利于设计人员在项目前期开发过程中能及时有效地发现问题并通过相应的手段将其解决。

本文利用流体软件对暖风芯体介质侧进行了数值仿真分析，获得了内部流场的分布情况［3，4］。根据仿真分析结果发现芯体各扁管内部介质流量分配不均匀，这直接导致了暖风单芯体的换热性能下降。针对上述缺陷问题对暖风芯体的水室结构实施了一系列的优化方案，并将最好的方案作为冻结数据并进行试验验证，最终通过验证得出仿真分析结果的可靠性。该分析方法为今后暖风芯体的设计开发奠定了一定的基础。

2 模型建立与仿真设置

2.1 几何模型及网格划分

图1a为暖风芯体基础模型的几何数据，对其进行流体分析前，首先需通过前处理软件对数据进行表面处理，去除对分析没有影响的表面特征及一些对最终结果影响很小的细小结构，这些细小特征不去除最终将会导致体网格品质变差，求解时所需资源及计算时间也会相应增加；最后对清理后留下的内流道各部分进行命名并将进出口管道延长封闭。处理好的计算模型如图1b所示，将其进行面网格划分并导入流体软件中进行面网格品质修复及体网格划分。为了保证计算精度同时兼顾计算机硬件资源对局部进行了适当的网格加密处理，体网格总数约1300万。

图1 仿真分析基础模型

2.2 边界条件及计算工况

本次仿真分析内部流动介质为50%体积浓度的乙二醇水溶液，入口采用质量流量边界，出口采用压力边界气压值为大气压，其具体仿真分析工况及介质属性见表1。

表1 仿真计算工况

3 计算结果分析

3.1 初次试验及仿真结果对比分析

通过初次试验发现对标件的单体换热性能要高于我司产品，因此按照对标件结构在尽量减小现有模型改动的基础上将其上下水室进行了下压式处理。对标件及基础模型初步改进后的仿真数模如图2所示。将改进后的方案进行快速样件试制并再次进行试验发现其换热性能相比于原来更差，因此进行CFD定性分析。

图2 对标件及方案1计算模型

由于此改款车型暖芯空气侧结构基本不改动，其换热性能的强弱仅与介质侧的流动相关，因此仅对介质侧流体的流动进行了分析，从而定性判断其对换热性能的影响。通过3.3表4中流量分配分析结果可知，对标件各扁管的流量分配比例在各工况下流动均匀性非常好，而基础模型各扁管流量分配比例均匀性较差，经初步优化后其流量分配比例均匀性更差。从侧面可以推断出初步优化后的模型单芯体换热性能要低于基础模型，这一结论与试验结果趋势一致。其试验结果如3.2中表2所示。

3.2 优化方案

由3.3表4中基础模型及方案1各扁管的流量分配比例可知，靠近进出口侧的扁管流量比例高于平均值，远离进出口侧的扁管流量比例低于平均值。在此暖风芯体出风侧结构基本不变的情况下要想提高单芯体换热性能，需提高各扁管的流量分配比例的均匀性。为了提高远离进口侧扁管的流量分配比例，将水室的结构改为了逐渐上抬式进而使更多的冷却液向后流动，且截面由矩形变为了圆弧形并增加了1根扁管，其仿真分析模型如图3a方案2所示。

图3 优化模型

通过3.3表4中方案2的仿真分析结果统计可知此方案对提高远离进出口扁管的流量分配比例不明显，因此继续加大了水室抬高的幅度，并稍微减小了上下水室之间的距离，其仿真分析数模如图3b方案3所示。结果可知此方案有一定的效果，但是部分扁管水流量分配比例相对平均值差距还是偏大，为了能够让各扁管流量分配分布得更加均匀，于是在方案3的基础上将水室两端的圆弧部分直接连接（示意图如图4a水室上红线所示），并缝补非圆弧之间的漏洞，同时减小插入到水室内部的扁管长度 （示意图如图4b将虚线部分剔除），最终细化后的方案如图4c所示。

图4 方案4

通过3.3表4中方案4的仿真分析结果统计可知此方案各扁管的流量分配均匀性相比基础方案均有了很大提升，尤其是600L/h、1000L/h两个工况提升了50%左右，其均匀性均达到了80%以上，虽然200L/h工况其均匀性仅提高14%，但是其各扁管的流量分配比例与平均值之间的差异较小，总的均匀性要好于其他两个工况。同时根据芯体的压损分析结果数据可知，方案4的内流阻相比基础方案减小了近一倍，进而得知扁管插入到水室内部的长度对芯体内流阻影响甚大。在水泵功率不变的情况下，内流阻减小将会提高芯体在整个系统中的换热能力。通过试验验证，方案4的单芯体换热性能各工况下相比基础数据提高了3～8个百分点，满足了设计要求，因此最终采取方案4作为冻结数据进行冻结。各方案试验数据如表2所示。

表2 试验测试性能结果数据

3.3 不同方案间差异及流量分配结果对比（表3、表4）

由表4中流阻的分析结果可知，除方案4外其它方案流阻结果差异均不大，结合表3不同数模之间差异可知扁管深入到水室内部的长度对其流阻有重大影响；由标准差统计结果可知方案4扁管流量分配比例的标准差值各工况下均提升了44%以上；由均匀性数据可知方案4各扁管的均匀性最好，各工况下均达到了82%以上。

表3 不同数模之间差异

表4 各方案流量分配及流阻结果

5 结论

本文首先通过试验发现暖风单芯体换热性能差的问题，然后采用CFD仿真分析方法剖析其根本原因发现了设计中的不足之处并不断对其进行优化，使得各工况下扁管的流动均匀性提升到82%以上且芯体内流阻降低了约一倍。最后通过试验验证不同工况下单芯体的换热性能提高了3%～8%，有效地解决了单芯体换热性能低的问题。这种试验与仿真分析相结合的方法在项目设计开发过程中具有一定的指导意义。