空调管道流场CFD分析报告.docx

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空调管道流场CFD分析报告

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空调管道流场CFD分析报告

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汽车有限公司

2012年8月

1.概述1

2.计算流程1

3.计算流体动力学（CFD）软件——FLUENT简介1

4.除霜风道流动及玻璃静态温度和速度分布2

4.1.模型简化和网格划分2

4.2.模型前处理3

4.3.求解结果分析3

5.吹面风道流动及风量分配计算8

5.1.模型前处理与网格划分8

5.2.边界条件及求解设置8

5.3.模型求解及结果分析9

6.分析结论11

1.概述

本报告应用CFD数值分析软件，对项目除霜效果进行数值模拟计算分析，计算出风道各风口的风量分配比例，以及玻璃速度和静态温度分布情况，为进一步细化设计提供依据，分析按GB－11556给出的条件进行。

2.计算流程

汽车的中央除霜风道主要肩负着输送分配用来溶化风窗玻璃内、外表面上的霜或冰，使其恢复清晰视野的热空气之任务，这对驾驶安全性至关重要。

所以此段风道的主要设计点在获得良好的风量分配比例和气流吹拂角度和点击点位置，使挡风玻璃和两侧车窗玻璃都能得到理想的静态温度和速度分布。

此次分析的目的就是通过对空调风道出风口一段及车厢内的流场计算，得到出风道各风口的风量分配比例及玻璃受风情况显示，此分析过程的流程图如图1。

图1风道除霜分析流程图

3.计算流体动力学（CFD）软件——FLUENT简介

FLUENT软件是专用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的CFD软件。

FLUENT提供了灵活的网格特性，用户可方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。

对于二维问题，可生成三角形单元网格和四边形单元网格；对于三维问题，提供的网格单元包括四面体、六面体、棱锥、楔形体及杂交网格等。

FLUENT还允许用户根据求解规模、精度及效率等因数，对网格进行整体或局部的细化和粗化。

对于具有较大梯度的流动区域，FLUENT提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。

4.除霜风道流动及玻璃静态温度和速度分布

4.1.模型简化和网格划分

为了分析除霜系统的除霜效果，这里重点保留除霜风道内的所有细节，将汽车风挡玻璃及仪表板也考虑在内，与车身外表面构成一个的封闭舱，其数模如图2所示，其中挡风玻璃按照给定的CATIA模型分出A区和B区，两侧玻璃，两侧和中央左右共四个内部出风口，出口按GB－11556标准给出。

图2除霜风道CATIA数模

1015

图3除霜风道结构

对空调除霜风道进行流体分析前，首先需要对CATIA模型进行前处理（见图2、3），去除对分析没有影响的风道表面特征，从CATIA模型中抽出风道的内表面；然后去除一些对最终结果影响很小的细小特征，因为要精确地模拟这些特征，会导致生成网格的质量变差，求解时的计算量也会成倍增加，所以对模型进行必要的简化和几何清理，尤为重要。

对风道进行网格划分时，总体的要求是连续、均匀、美观，过渡平缓。

网格采用四面体单元，风道网格最小5mm，单元总数约55万。

为了清楚了解风量比例的分配，特将中央出风口根据几何结构分为若干部分，具体见图3所示。

4.2.模型前处理

边界按国标GB－11556给出，并如下简化假设：

（1）流体的物性参数（如流体的密度与粘度等）为常数；

（2）出玻璃外，其他的面不考虑与外界有热交换。

求解设置：

风道入口为速度入口，出口为压力出口。

设空气在风道入口处的速度均匀分布，空气流量为175m3/h，转换速度为4.93m/s，水力直接91.04mm，湍流强度为0.7%，方向垂直于边界；风道出口背压为零，水力直接为23.46mm。

对于空调系统的风道分析，压力——速度耦合一般采用SIMPLE方法，RNG非平衡壁面函数

湍流模型进行分析。

针对该空调系统及设计要求，收敛判断条件为所有物理量的误差不大于1.0E-4。

4.3.求解结果分析

4.3.1.流量、压力和速度结果分析

出风口

流量（kg/s）

风量分配比例

左车窗玻璃侧

0.00849

12.5%

53.2%

中央除霜

驾驶员侧

0.05294

0.02761

77.3%

40.7%

副驾驶侧

0.02488

36.6%

46.8%

右车窗玻璃侧

0.00691

10.2%

表11015除霜风道出风口风量分配比例

出风口

流量（kg/s）

风量分配比例

左车窗玻璃侧

0.005581

9.4%

50.7%

中央除霜

驾驶员侧

0.04822

0.02454

81.1%

41.3%

副驾驶侧

0.02368

39.8%

49.3%

右车窗玻璃侧

0.005664

9.5%

表2除霜风道出风口风量分配比例

1015

注：

表中出风口位置1、2、3、4分别代表左侧窗出口、驾驶员侧出口、副驾驶侧出口、右侧窗出口

图4除霜风道各出口流量分配柱状图

相对应于图3的除霜风道，其各个出风口的风量分配比例如表1、2和图4所示，从图可以看出1015除霜风道左右两侧的风量分配比例分别为53.2%和46.8%，基本合理，通往左右侧车窗玻璃的风量比例各是12.5%和10.2%。

除霜风道左右两侧的风量分配比例分别为50.7%和49.3%，比较合理，通往左右侧车窗玻璃的风量比例各是9.4%和9.5%，左右侧车窗的流量比1015的小。

图4是空气进入稳态流动后，风道内表面所受到的空气静压力，图5是风道内部的压力流线图，从压力整体的分布规律来看，1015风道入口到出口的压力分布是比较合理的，风道出口无明显的负压区，1015入口风速为7.11m/s，压力最大值为84.3Pa，最小值为-27.1Pa；但的出现的负压区明显比1015的多，入口风速为4.93m/s，压力最大值为60.9Pa，最小值为-52Pa。

，从两者的比较看出，风道的结构在多处

1015

图4除霜风道内表面压力分布

产生回流，不利于空气流动，入口风速比1015小很多，但负压去比1015大很多，是1015的两倍，空气内摩擦较大，内摩擦产生能量损失较多，需要优化。

1015

图5除霜风道内部压力流线图

图6、7都是玻璃上的气流速度值。

从这些图上可以看到1015前挡风玻璃和侧车窗玻璃的气流速度较大，A、B区除霜效果较好，速度分布较均匀，同时侧风窗上用以观察后视镜所可能通过的区域气流速度较高。

速度集中在一定区域，侧面玻璃C区的速度很小，从图7可知C区大部分大于0.5m/s。

从图6、7可以看出，整个1015前挡风玻璃和侧车窗玻璃上的气流速度分布较均匀，这对于此车挡风玻璃的除霜是很好的；对于中央除霜风量不多的情形，就要求较多的气流流动集中在挡风玻璃的A、B两区，即要求气流的喷射角度能够使得气流从出风口出来直接到达B区的下沿，使驾驶员视野区域更好的得以除霜；同时使较多的气流吹拂到侧风窗上用以观察后视镜所可能通过的区域，使驾驶员能够获得足够的视野。

1015

1015（大于0.5m/s以上区域）

（大于0.5m/s以上区域）

图6前挡风玻璃速度云图

1015

1015（大于0.5m/s以上区域）

（大于0.5m/s以上区域）

图7两侧车窗玻璃速度云图

4.3.2.温度结果分析

1015

1015（大于273K以上）

（大于263K以上）

图8前挡风玻璃静态温度分布云图

1015

1015（大于273K以上）

（大于258K以上）

图9两侧车窗玻璃静态温度分布云图

从图8、9看出，1015不管是前挡风玻璃还是两侧车窗玻璃，温度分布都比较合理，A、A`和B区温度，以及两侧车窗的玻璃都大于273K，在冰的熔点温度之上，的前挡风玻璃只有少部分区域大于273K，两侧的玻璃温度均小于273K，最大温度是264K，同时结合图6的速度分布云图看出有明显的V型死区，除霜要求可能不能满足国标要求。

产生两侧玻璃温度和速度最大分布不在C区原因，一是风管左右两侧出口的倾角太靠上；二是点击点位置有问题。

前挡风玻璃静态温度和速度变换视频，以及1015除霜效果视频如下：

玻璃瞬态速度视频.mpeg

玻璃瞬态静温视频.mpeg

zx面瞬态静温视频.mpeg

1015

前820秒冰融化.mpeg

15到25分钟冰融化.mpeg

15到25分钟冰静温.mpeg

5.吹面风道流动及风量分配计算

5.1.模型前处理与网格划分

出风口L（左车窗侧）

出风口R（右车窗侧）

出风口ML（驾驶员侧）

出风口MR（副驾驶侧）

图10吹面风道结构

对空调吹面风道进行流体分析前，首先需要对CAD模型进行前处理，去除对分析没有影响的风道表面特征，从CAD模型中抽出风道的内表面；然后去除一些对最终结果影响很小的细微特征，因为要精确地模拟这些特征，会导致生成网格的质量变差，求解时计算量会成倍增加，所以对模型进行必要的简化和几何处理，尤为重要。

对风道进行网格划分时的总体要求是连续、均匀、美观，过渡平缓。

网格采用四面体单元，风道网格最小1.5mm，单元总数约66万。

为了清楚了解风量比例的分配，将风道出风口根据几何结构分为若干部分，具体见图10所示。

5.2.边界条件及求解设置

为了简化问题，对于计算区域作如下简化假设：

（1）固体区与流体区的物性参数（如固体的密度，流体的密度与粘度等）为常数；

（2）流动为稳态流动（速度、压力、温度等物理量不随时间变化）；

（3）不考虑重力和温度的影响。

求解设置：

风道入口为速度入口，设空气在风道入口处的速度均匀分布，空气流量为300m3/h，方向垂直于边界；风道出口背压为零。

对于空调系统的风道分析，压力——速度耦合一般采用SIMPLE方法，RNGk-

湍流模型进行分析。

针对该空调系统及设计要求，收敛判断条件为所有物理量的误差不大于1.0E-4。

5.3.模型求解及结果分析

出风口

流量（kg/s）

风量分配比例

左车窗玻璃侧L

0.01846

18.6%

49.4%

中央

吹面

驾驶员侧ML

0.05949

0.03052

60.0%

30.8%

副驾驶侧MR

0.02897

29.2%

50.6%

右车窗玻璃侧R

0.02123

21.4%

表3吹面风道出风口风量分配比例

注：

表中出风口位置1、2、3、4分别代表左侧窗出口、驾驶员侧出口、副驾驶侧出口、右侧窗出口

图11吹面风道各出口流量分配柱状图

相对应于图11的吹面风道，其各个出风口的风量分配比例如表3和图11所示，从图11可以看出吹面风道左右两侧的风量分配比例分别为49.4%和50.6%，基本合理。

图12是空气进入稳态流动后，风道内表面所受到的空气静压力，图13是风道内部的压力流线图，从压力整体的分布规律来看，风道入口到出口的压力分布是比较合理的，风道出口无明显的负压区。

图12吹面风道内表面压力分布

图13吹面风道内部压力流线图

由图12、13可以看出，虽然风道几何进口阶段并不是左右对称，但是在分配后的管道上其压力显示左右相对均匀对称，表明两边的气流分配均匀。

图14吹面气流在各出风口的速度矢量图

图14吹面气流在各出风口的速度矢量图，由图可见各个出风口速度相当，但出风口风速分布不够均匀，部分区域速度很小，从整体效果来看，吹面风道出风口速度分布情况较好。

6.分析结论

以上对的除霜效果进行初步分析，从现在的结构分析看，的除霜效果有一定的问题，有可能不能满足国家标准的要求，结论如下：

1从上面的结果和分析看出风管的结构不是很理想，内部有好基础负压的区域，而且负压值很大，产生空气内部摩擦，效果能量，建议进一步优化风管结构；

2除霜风道左右两侧的风量分配比例分别为50.7%和49.3%，基本合理；但通往左右两侧车窗玻璃（即驾驶员侧和副驾驶侧）的风量比例各是9.4%和9.5%，比例较小。

前挡风玻璃静和两侧车窗玻璃的态温度和速度分布都不是很理想，前挡风玻璃只有小部分静态温度在273K及冰的熔点温度之上，且有明显的V型死区，而两侧车窗玻璃静态最大温度为264K，在冰的熔点温度之下，要解决这问题，可能要从三方面考虑。

一是风管出口与玻璃倾角上区考虑；二是从点击点位置考虑；三是增加流量。

3除霜风道各出风口（L、ML、MR、R）风量分配比例分别为9.4%、41.3%、39.8%和9.5%，风量分配比例不是很合理。

4吹面风道各出风口（L、ML、MR、R）风量分配比例分别为18.6%、30.8%、29.2%和21.4%，风量分配均匀。