货车空调HVAC箱体总成模拟及试验研究

作者:黄晓春 范士杰 文章来源:一汽集团公司技术中心 发布时间:2013-05-24
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图1 汽车空调系统的HVAC 箱体总成

HVAC箱体是空调系统的关键部件,其性能的改进对整车空调性能的提高具有重要意义。本文采用试验和CFD仿真分析相结合的方法对HVAC箱体进行研究,在汽车产品开发初期进行了多方案比较,以确定有效的设计手段和评价方法。

CAXX货车驾驶室是一汽集团公司技术中心设计的新一代载重车新产品,其中空调箱体总成部分为我技术中心独立设计完成的。为提高产品的技术含量,与国际汽车行业接轨,该总成在原有产品的基础上,结构做了很大改进。我们首次将CFD(Calculate Fluid Dynamics,计算流体动力学)技术应用于空调系统的产品设计开发过程中,通过对换代货车空调系统箱体总成的各种送风方式的CFD模拟及试验研究,在产品开发初期进行了多方案比较,以选择合理的结构并积累数据,以确定有效的设计手段和评价方法。

汽车空调系统HVAC箱体总成具有两个功能,首先,它安放暖风芯体和蒸发器芯体;其次,它给车室内引入新鲜空气及再循环的空气。其工作过程:在离心风机的作用下,所需处理的空气通过蒸发器,进行冷却除湿处理,然后经过空气混合风门,部分直接吹向空气混合室,部分吹向暖风加热器进行加热处理。这些处理过的空气由除霜出风口、吹面出风口和吹足出风口等送入车室内。空调系统的箱体总成设计的好坏直接影响到整车空调性能及舒适性。因此空调系统的箱体总成性能好坏意义重大,其性能评价本文采用试验室验证和计算机模拟运算相结合的方法。

试验研究

1.试验对象

汽车空调系统的HVAC箱体总成理论上分为三部分:吸气段、送气通风段和空气分配段。其结构如图1所示,在最大制冷状态下,空气来自车内,流经蒸发器,并从仪表板出风口流出。


图2  暖风除霜状态出风口传感器布置

2.试验装置及测量原理

(1)送风量测量 采用空调系统试验台中的空气流量测量装置,进行风机送风量、箱体总成各种状态下的送风量及蒸发器芯体、暖风芯体通风阻力试验。

空气流量测量装置是按照GB1236-85“通风机空气动力性能试验方法”,并参照美国采暖工程师协会标准ASHRAE51-75而设计的。其装置包括圆弧型集流器、风管、调节门、辅助风机和风室。空气通过圆弧型集流器加速,静压下降,通过静压差计算出流量值Q。

计算公式如下:

式中:

流量系数——αn=0.99;

集流器直径——dn;

膨胀系数——

集流器差压——Δpn。

测量数据采集由计算机自动完成,测量精度为±1%。

(2)风速分布测量 采用德国生产的Testo454型多点分布风速测量仪测量出口风速及分布。Testo454型多点分布风速温度测量仪由控制器、数据采集器、传感器探头和数据管理软件组成,能测量并存储250000个读数,热线式传感器精度±0.04m/s。传感器布点如图2所示,因出风口截面是矩形,将该截面分成若干个相等的小截面,并使各小截面尽可能接近正方形,测量点位于各小截面的中心处。

模拟研究

1.计算对象

根据我们计算软件的实际情况决定采用Fluent软件进行计算模拟。因计算机容量的限制,空调系统的箱体总成分为两部分进行模拟:风机模拟;“蒸发器箱体+暖风箱体+空气分配箱”模拟。

从CATIA软件中做成适用与CFD计算的简化的几何体并保存为IGS文件格式,在Fluent的前处理软件Gambit生成封闭的几何体和网格(见图3)。

2.计算条件

(1)风机总成入口条件采用试验的方法得出,如表1所示。

(2)蒸发器芯体、暖风芯体的处理 蒸发器芯体、暖风芯体几何体复杂且不封闭,与壳体总成一起计算难度很大难以解决。为此,我们采用多孔介质模型替代蒸发器芯体、暖风芯体几何体。

(3)通过蒸发器芯体、暖风芯体阻力试验值(见图4)和理论计算蒸发器芯体、暖风芯体散热面积/整个截面积之比确定蒸发器芯体、暖风芯体的多孔介质系数。

(4)收敛精度为10-3。

(5)计算步骤 在CATIA软件中对箱体总成做适当简化,并做成封闭的几何实体,存为STL文件格式;在ICEM中做网格,网格是四面体,网格数110万,输出MSH文件;进入Fluent软件进行计算,进行连续相运算时,湍流模型选用的是标准的k-ε模型,入口用质量流量,出口用压力出口;监视收敛;存盘,做后处理。

3. 计算及试验结果

试验得出内循环风机送风量438m3/h,循环(去掉防尘网)风机送风量513m3/h,外循环风机送风量477m3/h。

换代货车箱体总成送风量如表2所示,结果如图5和图6所示。

4. 通过计算得出结果,如图7所示。

结果分析

1. 通过分析对比除霜状态出风口风速的试验值(见图5)与模拟计算值(见图7d),可发现二者趋势基本相同,试验结果与模拟结果吻合良好。

2. 分析箱体速度向量图(见图7a)、速度分布云图(见图7b)、速度向量分布图(见图7c)和静压分布云图(见图7e),发现在吹面出口处静压均匀变低。产生这一现象的原因是,在暖风除霜状态,除霜风门打开,吹面风门关闭,气流在此处发生旋流,属正常状态。

3. 通过对箱体横截面积的速度分布云图(见图7b)、速度向量分布图(见图7c)和静压分布云图(见图7e)的分析,发现空气从入口进入箱体后,速度、静压分布均匀,在截面A、B处发生突变,因此建议在A、B处进行结构更改,将使云图分布均匀,送风量加大,箱体总成性能提高。


图7  计算结果

结语

本文采用试验和CFD仿真分析相结合的方法对HVAC箱体进行研究,在汽车产品开发初期(如壳体的激光塑模阶段和正式件阶段)进行了多方案比较。在空调HVAC箱体总成开发过程中,我们在各个不同阶段(如壳体的激光塑模阶段和正式件阶段)进行了试验室验证,采用的试验方案、试验设备及处理软件是可靠的。但是试验室试验具有一定的局限性,在开发初期不能进行多方案比较,样件费用较高,且不能实现流场可视化。采用CFD模拟计算能够弥补试验的不足,实现了流场的可视化,在充分考虑结构整体相关性的前提下,提出试验的重点和方向,指导试验并提出结构改进方案反馈给设计师,保证了结构设计的合理性。

因此在产品开发阶段,采用CFD模拟技术与试验相结合的方法对产品进行分析,可以缩短开发周期,降低开发费用。
 

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