空调管道流场CFD分析报告

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1、编号： *空调管道流场 CFD分析报告项目名称：编制：校对：审核：批准：日期：日期：日期：日期：汽车有限公司2012年8月目录1.概述 . .12.计算流程 . .13.计算流体动力学（ CFD）软件 FLUENT简介 .14.除霜风道流动及玻璃静态温度和速度分布 . .24.1.模型简化和网格划分 . .24.2.模型前处理 . .34.3.求解结果分析 . .35.吹面风道流动及风量分配计算 . .85.1.模型前处理与网格划分 . .85.2.边界条件及求解设置 . .85.3.模型求解及结果分析 . .96.分析结论 . .11空调管道流场CFD分析报告QQ 汽车有限公司1. 概述本报

2、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 GB11556 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

3、分析过程的流程图如图1。初步方案改进方案简化空调系统的设计模型（CATIA ）划分单元网格（ HYPERMESH ）定义物理模型、材料、边界条件、初始条件和求解参数（ FLUENT ）求解（ FLUENT ）改查看分析结果进结否构模型是否可用改进模型否模拟结果是否符合设计要求最终方案图 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第1页共11页空调管道流场CFD分析报告QQ 汽车有限公司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

4、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

5、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。侧车窗玻璃出口A 区B 区挡风玻璃除霜风道图 2 除霜风道 CATIA 数模右侧窗出口右侧窗出口第2页共11页空调管道流场CFD分析报告QQ 汽车有限公司副驾驶侧出口副驾驶侧出口驾驶员侧出口驾驶员侧出口左侧窗出口左侧窗出口进风口进风口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

6、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 GB11556 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3匀分布，空气流量为 175m/h ，转换速度为 4.9

7、3m/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 k 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0.0084912.5%53.2%0.0276140.7%驾驶员侧中央除霜0.0529477.3%副驾驶侧0.0248836.6%46.8%第3页共11页空调管道流场CFD分析报告QQ 汽车

8、有限公司右车窗玻璃侧0.0069110.2%表 1 1015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0.0055819.4%50.7%驾驶员侧0.0245441.3%中央除霜0.0482281.1%副驾驶侧0.0236839.8%49.3%右车窗玻璃侧0.0056649.5%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

9、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

10、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，风道的结构在多处第4页共11页空调管道流场CFD分析报告QQ 汽车有限公司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

11、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。第5页共11页空调管道流场CFD分析报告QQ 汽车有限公司101510

12、15（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10151015（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第6页共11页空调管道流场CFD分析报告QQ 汽车有限公司温度结果分析10151015（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10151015（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，第7页共11页空调管道流场CFD分析报告QQ 汽车有限公司A

13、、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.mpegzx 面瞬态静温视频.mpeg1015前 820 秒冰融化 .mpeg15 到 25 分钟冰融化 .mpeg15 到 25

14、分钟冰静温 .mpeg5. 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 ML（驾驶员侧）出风口 MR（副驾驶侧）出风口 R（右车窗侧）进风口图 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

15、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。第8页共11页空调管道流场CFD分析报告QQ 汽车有限公司求解设置：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3为 300m/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

16、 SIMPLE方法， RNG k- 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 L0.0184618.6%49.4%中央驾驶员侧 ML0.059490.0305260.0%30.8%吹面副驾驶侧 MR0.0289729.2%50.6%右车窗玻璃侧 R0.0212321.4%表 3吹面风道出风口风量分配比例3530.83029.22521.4%比2018.6配分量 15流10501234出风口位置注：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、

17、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。第9页共11页空调管道流场CFD分析报告QQ 汽车有限公司图 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

18、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第10页共11页空调管道流场CFD分析报告QQ 汽车有限公司图 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

19、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。第11页共11页