iAnalysis and Validation of an Automotive HVAC

1、重 慶 理 工 大 學文 獻 翻 譯二級學院 車輛工程學院 班 級 車輛工程1班 學生姓名 郭志剛 學 號 11004050107 汽車HVAC系統(tǒng)的CFD分析與驗證Ashok Patidar, Shankar Natarajan and Manoj Pande 摘要汽車HVAC系統(tǒng)三種操作模式的研究在日前已經(jīng)實現(xiàn)了。這三種模式是:吹臉模式，除霜模式和吹腳模式。HVAC系統(tǒng)的性能的評價指標是用空氣在車廂的放電率，空氣經(jīng)過該系統(tǒng)后的壓降，氣流在出口面的均勻性以及在不同導管出口之間的氣流分配。所有這些參數(shù)都通過計算流體動力學（CFD）分析預測。通過多參考系（MRF）模型來模擬穩(wěn)態(tài)流。通過多孔介質模

2、型來模擬蒸發(fā)器和加熱器的氣流流動。標準k-模型模型用于模擬氣流的湍流效應。比較CFD的模擬結果與實驗結果，說明可以通過CFD模擬大大減少HVAC系統(tǒng)開發(fā)的成本和時間。說明CFD分析作為設計工具不僅在設計時有重要作用，而且正被許多汽車公司使用。這讓他與數(shù)字技術一樣也在快速發(fā)展。HVAC系統(tǒng)的很多工作都可以用CFD模擬，如整體造型， HVAC元件，風機和通風管道。Shen et al. 1通過分析在通風管道中的氣流，研究了擋風玻璃和鼓風機入口之間的壓力降，以及氣流在入口與在出口處的速度分布。Toksoy et al. 2, Fischer 3, and Gronier & Gilotte

3、4在輪轂處檢測氣流，顯示了軟件的計算過程是如何應用到一個考慮流量，噪聲和結構完整性的鼓風機葉輪設計中的。Fischer 3 and Gronier & Gilotte 4模擬了鼓風機的三維流場，包括單個刀片的幾何形狀。與實驗數(shù)據(jù)比較說明 CFD模擬的方法是非常準確的。Werner and Frik 5對 HVAC模塊的空氣分布管道的優(yōu)化設計需要考慮空氣流分布和壓降的設計。 Lin etal. 6驗證計算機對HVAC平均流速和表面壓力分布的整體預測。Kondo and Aoki 7給出了HVAC模塊的入口，出口和其間蒸發(fā)器的二維和三維流動，并與實驗數(shù)據(jù)進行比較。他們分析了在蒸發(fā)器中的前部

4、的非均勻流動分布的影響以及預測由于流動的非均勻性造成的熱性能的劣化速率。Ikuta et al. 8 通過求解二維有限差分方程模擬加熱器的流體流動和熱流量，并與觀測的流量和出口處的空氣溫度進行比較。Fujisawa 9 開發(fā)出HVAC系統(tǒng)的流動可視化技術并分析了三個混合控制門的位置的流量和溫度場。 Cho and Kim 10 研究了汽車HVAC模塊流體流動與傳熱的特點，分析了在HVAC模塊中使用CFD模擬氣流速度和空氣溫度的一些重要的設計問題。Li and Huang 11引入了一個專用的CFD設計工具，有助于縮短汽車HVAC系統(tǒng)，動力總成冷卻系統(tǒng)或熱交換模型的設計的開發(fā)周期。Hassan

5、et al. 12提出了CFD模擬汽車HVAC風機分別在穩(wěn)定和不穩(wěn)定流操作條件的性能預測的方法。他們獲得穩(wěn)定流的測試結果具有良好的相關性，而這種做法在不穩(wěn)定流顯示出較大的差異。低系統(tǒng)壓力損失，流過出口平面的均勻的空氣，在出口管道適當?shù)臍饬鞣至?，均勻的冷熱空氣混合，低噪聲，高效率風機等。這些是在HVAC系統(tǒng)的設計要考慮的重要的標準。在這項研究中，對HVAC系統(tǒng)的吹臉，除霜和吹腳模式進行了探討，并且前三個設計問題已經(jīng)得到解決。數(shù)值分析 HVAC系統(tǒng)的所有操作模式都可以通過CFD軟件進行模擬。從流動的結果，問題區(qū)域可以識別并通過改變CAD模型解決。因此，這種方法大大降低HVAC系統(tǒng)的設計時間。本研究

6、的過程中的每個步驟都將在下面進行說明。網(wǎng)格劃分-圖1表示出了HVAC單元的計算域。HVAC吹臉模式的通道和除霜模式的通道分別示于圖2和3。圖1 HVAC系統(tǒng)模型圖2 HVAC系統(tǒng)吹臉模式IP導管圖3 除霜模式的除霜管道在分析過程中，該IP導管和除霜風道將分別被連接在HVAC系統(tǒng)的吹臉模式出口和除霜模式出口。圖4顯示不同的操作模式的減震器位置 。圖4 HVAC調節(jié)位置的圖示1.吹臉模式開啟 2.吹臉模式關閉3.除霜模式開啟 4.除霜模式關閉5.吹腳模式關閉 6.加熱開關關閉7.加熱開關開啟 8.加熱器 9.蒸發(fā)器HVAC系統(tǒng)在CATIA V5的幾何建模中能畫出完整的線框和表面數(shù)據(jù)。然后將數(shù)據(jù)轉換

7、為IGES格式和讀入ANSA V- 12.1.2 ，其中流體表面模型用三面體網(wǎng)格生成。T-Grid 4.0.24用四面體網(wǎng)格生成。圖5表示HVAC的一個典型的四面體網(wǎng)格。在吹臉模式中，HVAC單元，風道和轎廂共同組成的域包含大約280萬四面體單元。在除霜模式中的大小是230萬四面體單元，吹腳模式是大約100萬四面體單元。圖5 HVAC系統(tǒng)IP管道網(wǎng)格劃分CFD分析-本研究用的是FLUENT 6.3軟件。用Navier-Stokes方程來模擬不可壓縮湍流模塊。連續(xù)性方程，三動量方程求解兩個湍流方程。本研究選擇的是非平衡壁面的K個RNG函數(shù)模型。SIMPLE算法是對壓力 - 速度耦合。Green-

8、 Gauss Cell用一階迎風對流差分方程來作為穩(wěn)態(tài)解算器使用。風箱是使用多參考系模型建模。熱交換器所使用的多孔介質的方法建模。在10個2.8 GHz的E326 AMD皓龍 CPU的基于Linux 的IBM ，大約需要3個小時的計算吹臉模式。吹腳模式時，CPU計算的時間大約是1.5小時。在除霜模式時，計算要2小時，并且在除霜分析進行30分鐘后的時間約需9小時。本研究主要是：1.在出口面的流動均勻性 ；2. 在風機額定轉速時通過HVAC系統(tǒng)的總空氣流量 ；3.空氣在不同的管道出口之間氣流分配。邊界條件-控制門被建模成絕熱壁。額定風機角速度，風機入口和出口管道的大氣壓力作為邊界條件。在本分析中的

9、空氣流只是由鼓風機轉動而進入系統(tǒng)。 HVAC系統(tǒng)的熱交換器被建模為多孔區(qū)，比如蒸發(fā)器和加熱器。多孔粘性阻力和慣性阻力都從熱交換器的特性曲線（空氣流的壓降）計算。結果與討論通過分析HVAC元件中的速度，氣流分布以及用于吹臉，除霜和吹腳模式的導管來研究該系統(tǒng)內的流場。總的空氣流量和HVAC和導管出口之間的氣流分布在車廂中測量。由前面的吹臉，除霜和吹腳模式的分析結果，對HVAC元件，進風道的IP通道和除霜風道設計過程接下來進行了簡單的討論。然后用CFD分別給HVAC，IP管道，除霜管道進行優(yōu)化設計。在HVAC單元，熱交換器的安裝在均勻的空氣流過熱交換器最大利用率，高空氣放電率時最低壓降的地方。用均勻

10、度指數(shù)計算的熱交換器的流動均勻性由下面的公式計算：是均勻指數(shù)；是表面的橫截面面積；是表面平均速度；是在第n個單元表面的速度；是各自的第n表面的細胞表面的橫截面面積。幾次轉換后，變成在HVAC的彎曲擋板（參照圖1）它避免了一個90度轉彎，并能使蒸發(fā)器暢通。因此，HVAC系統(tǒng)的壓降減少了32 ，出風口的空氣放電率增加了11。同樣的空氣流量下的在蒸發(fā)均勻指數(shù)增加了18 。圖6顯示了HVAC系統(tǒng)的入口段的速度分布。在這兩個部分的值是使用公式1計算。值在回風口和空調進氣口的值風別是是0.88和0.89元。該值接近1 ，且差不多大小。這意味著HVAC系統(tǒng)有助于保持空氣流過蒸發(fā)器的平面的均勻性。圖6 鼓風機

11、出口與HVAC系統(tǒng)入口處的速度分布通過改變進氣道截面積，并在進氣道裝一個分流器，IP管道為四個出氣口分流，并在出口處時是均勻空氣速度和最低壓降（參考圖2）。通過IP管道的出口面的氣流均勻性，可以通過均勻度指數(shù)來表示。圖7表示IP管道出口面的空氣速度分布。表1顯示了在IP管道的不同網(wǎng)點的均勻性指數(shù)值。均勻性數(shù)值接近1表示通過IP導管的是均勻氣流，這對乘客的舒適性和空調的冷卻性能有非常重要的作用。表1 IP管道的不同網(wǎng)點的均勻性指數(shù)值圖7 IP管道出口面的空氣速度分布擋風玻璃和前側車窗玻璃的安裝位置是固定的，這樣除霜系統(tǒng)可以通過適當在擋風玻璃的改變氣流和提高傳熱率來擁有良好的除霜性能。可以通過計算

12、除霜器噴嘴的最佳空氣流速和適當?shù)目諝鉀_擊角來實現(xiàn)這兩個重要的設計。熱空氣可以預熱擋風玻璃，這樣就能熔化擋風玻璃的外表面的冰層。除霜系統(tǒng)的除冰性能通常是通過他能快速除去給定的區(qū)域的冰層的能力來進行評價。這規(guī)定了在給定時間內要有多少冰被除去。為了實現(xiàn)這一除冰性能標準，確?？諝饬麟x開除霜器噴嘴沿著擋風玻璃行進是必不可少的。另外，在擋風玻璃和儀表板之間的空氣流量要最小。多次轉換之后，就設計好了在除霜管中央的空氣導流器（參見圖3 ） 。吹臉模式-要模擬HVAC再循環(huán)模式（最大AC）的性能， 把HVAC單元，IP導管和機艙當做是回路。圖8和圖9分別表示HVAC與IP管道的壓力。圖8所表示的送風機葉片的入口

13、的壓力減小和鼓風機出口處壓力增大是因為送風機的轉速。鼓風機滾動出口后，空氣流到由于蒸發(fā)性，膨脹，收縮和彎曲中的損失導致壓力下降 。圖10和11表示模塊內的速度矢量。在HVAC的吹臉模式中，加熱器減震器，底部阻尼器和除霜調節(jié)風門處于關閉位置，建模成絕熱壁引導氣流到IP導管。由于葉尖與葉片的間隙使風機空氣再循環(huán)導管出口之間的空氣流分流示于表2 。數(shù)值模擬總風量在管道出口6.3 的偏差與實驗結果非常吻合。HVAC系統(tǒng)LH ， CLH ， CRH和RH開口的值被設置為30:20:20:30。圖12和13表示了車廂內駕駛員平面和中心平面的速度分布。圖12中，后座有一個大的渦流，駕駛員和中間乘客前面有一個

14、小渦流。從圖13看出，HVAC內部和IP管道中有較大的速度，在前座和中間座之間有一個渦流?？梢钥匆娗芭抛沃g的縫隙有空氣流過直到第三排座椅，靠近出口處的速度較大。圖8 吹臉模式下鼓風機壓力分布圖9 吹臉模式下HVAC內部的壓力分布圖10 吹臉模式下鼓風機速度分布圖11 吹臉模式下HVAC內部的速度分布圖12 駕駛室內駕駛員平面速度分布圖13 駕駛室內中心平面速度分布表2 IP導管出口處的氣流分配比例除霜模式-除霜管道是連接HVAC系統(tǒng)與車廂的。加熱器風門完全打開，以允許空氣通過加熱器。除霜風門打開，其它阻尼器在關閉狀態(tài)，以引導空氣在風道除霜。圖14顯示除霜噴嘴和客艙擋風玻璃典型的網(wǎng)狀模型。創(chuàng)

15、建棱鏡層來研究擋風玻璃的厚度和擋風玻璃上的冰層。用厚度等于擋風玻璃厚度的四分之一的四個棱形層模擬擋風玻璃和10個0.05毫米的棱形層模擬冰層。圖1516顯示鼓風機和HVAC的壓力輪廓。在HVAC單元的高壓降是由于吹臉模式相比有額外的加熱器電阻。送風機的中間部分和HVAC的速度矢量分別示于圖1718。由于管道直徑小，HVAC有大的速度梯度。在這四個網(wǎng)點的除霜風道之間的氣流分流示于表-3 。數(shù)值計算結果與在機艙內空氣總流量的實驗結果有6.2偏差。工程提交前有必要檢查除霜系統(tǒng)。隨后氣流的研究中，分析冰層的瞬時解凍。瞬時升溫曲線是在HVAC入口面施加配置文件和求解30分鐘的氣流能量方程。Fluent6

16、.3的凝固和熔化模型13可模擬在擋風玻璃和側窗玻璃的除冰圖案。除冰圖案在擋風玻璃的分析開始后20分鐘被顯示在圖19。分析表明，在A區(qū)是在20分鐘解凍97 符合規(guī)定的-18° C環(huán)境溫度的80 。圖14 擋風玻璃的網(wǎng)格劃分圖15 除霜模式下鼓風機的壓力分布圖16 除霜模式下HVAC系統(tǒng)內部的壓力分布圖17 除霜模式下鼓風機的速度分布圖18 除霜模式下HVAC內部的速度分布圖19 擋風玻璃的除冰圖案表3 除霜模式下導管出口處的氣流分流吹腳模式-底部阻尼器和加熱器風門在該模式下保持打開。吹臉和除霜模式的阻尼器處于閉合位置，以防空氣在IP通道和除霜風道通過。圖 20 21顯示鼓風機和HVAC

17、的壓力輪廓。在HVAC的高壓降與吹臉和除霜模式相比是由于加熱器的電阻和流動的路徑。圖22 23顯示模塊內的速度矢量?？諝饬鞯脑傺h(huán)是與與吹臉和除霜模式類似的。底部吹出口之間的氣流分流見表-4。在吹腳模式HVAC計算結果表明與總風量8.2 的偏差與實驗結果良好的相關性。當前HVAC的目標值被用于HVAC單元的左側和右側開口設置50:50 。圖20 吹腳模式下鼓風機的壓力分布圖21 吹腳模式下HVAC內部的壓力分布圖22 吹腳模式下鼓風機的速度分布圖23 吹腳模式下HVAC內部的速度分布表4 吹腳模式下導管出口處的氣流分配比例結論在汽車HVAC系統(tǒng)中的吹臉，除霜和吹腳模的流體流場是由CFD分析研究

18、。瞬態(tài)擋風玻璃除冰現(xiàn)象也用CFD模擬。計算數(shù)值結果與在出口處的空氣流量和空氣流量分流方面的實驗數(shù)據(jù)相似。因此它表明，CFD非常有效的設計工具。理解在一個系統(tǒng)中的流動特性對于控制主要設計參數(shù)很重要。該文件還概述了如何在不同模式下通過執(zhí)行在CAD中變更流量，以實現(xiàn)結果的優(yōu)化。本文運用的研究中方法顯示出相當大的改進設計。參考文獻：1 Shen, F.Z., Backer, G.P., Swanson, D., HVAC Plenum Design Analysis, presented at SAE World Congress, 950113, 1995.2Toksoy, C. et al., D

19、esign of an automotive HVAC Blower Wheel for Flow, Noise and Structure Integrity,presented at SAE World Congress, 950437, 1995.3Fischer, D., Airflow Simulation Through Automotive Blowers Using Computational Fluid Dynamics, presented at SAE World Congress, 950438, 1995.4 Gronier, P., Gilotte, P., Air

20、flow Simulation of an Automotive Blower for a HVAC Unit, presented at SAE World Congress, 960961, 1996.5 Werner, F., Frik, S., Optimization of an Automotive HVAC Module by Means of Computational Fluid Dynamics, presented at SAE World Congress, 950439, 1995.6 Lin, C.-H., Han, T., Sumantran, V., (1994

21、). Experimental and Computational Studies of Flow in a Simplified HVAC Duct. Int'l. Journal of Vehicle Design, 15 (1/2)7 Kondo, F., Aoki, Y., Prediction Method on Effect of Thermal Performance of Heat Exchanger due to Nonuniform Air Flow Distribution, presented at SAE World Congress, 850041, 1985.8 Ikuta, S., Tanaka, K., Kato, K., Numerical Simulation of Air and Heat Flow in a Heater Unit, presented at SAE World Congress, 890574, 1989.9 Fujisawa, N. et al., (1996). Visualization and Color Image Processing of Flow Mixing in an Air Conditioning Unit for Automobiles (in Japanese). Tran