汽车空调出风口气流均匀性对冷却性能的影响 -行业资讯

　　1 前言
　　
　　节能环保是现代汽车发展的一大要求和目标，从*近几年的研究来看，主要有三种思路来改善汽车的节能环保性能。一是选用更加清洁环保**的新能源；二是提高原有发动机对燃油的利用率；三是提高对发动机动力的利用率，如减小汽车的空气阻力，提高发电机、空调等设备的工作效率。空调作为乘用车和商用车的必须品，其工作效率对燃油经济性有很大的影响。在满足乘员热舒适性的基础上，提高空调工作效率是节能减排的需要。同时，新能源汽车也需要更**.率的空调来匹配。孙斌、林克卫等从空调的驱动方式方面改善了空调工作效率，利用风能或太阳能给蓄电池供电来辅助发动机为空调提供动力。卢祖秉、杨娟等通过分析空调回风口的布置和送风口角度、温度及速度对车室内流场的影响，改变气流流动状况，提高了制冷气流的利用率。此外，Ashok Patidar等在对汽车空调的综合研究中提到，空调出风口处气流均匀性对空调的冷却性能和乘客舒适性能的优化也很重要。
　　
　　本文通过数值计算的方式，模拟了不同速度均匀性的气流对车室的冷却过程，对比了它们的冷却时间、流场组织情况和温度分布情况。目的在于分析它们对车室流场的不同影响，从而探讨其影响冷却性能和热舒适性的原因。
　　
　　2 物理模型及网格
　　
　　本文建立了长宽高：3003mm×1612mm×1161mm的汽车车室模型（如图1所示）。在模型上忽略了发动机舱和后背箱，不考虑车门缝隙造成的泄露。在仪表台上设置了三个空调出风口，下面设置了两个回风口。计算流体力学对网格的要求很高，网格质量对计算精度和收敛速度都有影响。本次模拟采用适应性较好的四面体非结构化网格，并对人体和出、入风口的网格进行了加密（如图2所示）。
　　
　　3 湍流模型及辐射模型
　　
　　车室内流场中空气流速较慢，速度**的空调出风口处，平均速度为3/（m·s-1）。但是其雷诺数超过了临界雷诺数，视为湍流流动。气流的密度变化不大，视为不可压缩流动。流场温度变化会引起密度变化而产生的自然对流情况，采用Fluent软件中的Boussinesq模型模拟，该模型认定在所有求解器方程中，只有在动量方程的浮力项中，密度才随温度变化。本次模拟选用Realizable湍流模型。该模型适用范围广，在对圆口射流和平板射流的模拟中，能给出较好的射流扩张角，符合本次模拟的需求。
　　
　　考虑太阳辐射对车室热环境的影响。选用DO Irradiation太阳载荷模型，用太阳计算器得出重庆地区的太阳入射光方向和辐照度，大气透过率0.8，辐射强度加散射强度总共866.2/（W·m-2）。
　　
　　4 边界条件
　　
　　本次模拟设置了两种不同均匀性系数的气流出口，其速度云图如图3所示。两种出口的边界条件都是速度入口，送风温度都为17/℃。（a）图为0.87，出口速度为3/（m·s-1）（由于考虑了气体粘性，近壁面处产生了边界层，存在速度梯度，所以不是**的均匀）。（b）图为0.67，由于空调导管横截面积的变化和边界层的扩张等因素，导致出口截面速度分布不均匀，其中间速度大，四周速度小。两种出口的平均流量相同，都为0.014/（kg·s-1）。
　　
　　车身和玻璃为热对流边界，其中玻璃设为半透明壁面，散射分数0.5。环境温度为35/℃。人体设为第二热边界条件，热流量为58/（W·m-2）。
　
　　
　　5 模拟结果与分析讨论
　　
　　5.1冷却时间的对比
　　
　　冷却时间能直接反应出两种均匀性气流的冷却效果。图4是车室内温度随时间的变化情况示意图。整个降温过程为20分钟，车室内初始环境温度为50℃。
　　
　　5.2射流范围对比分析
　　
　　射流是指流体从各种形式的孔口或喷嘴射入同一种或另一种流体的流动现象。汽车空调出口气流是典型的射流现象。本次模拟的出口射流属于矩形出口淹没紊动射流。流体从孔口射出后，会把原来环境中静止状态的气流吸卷到射流中，随着射流的前行，被卷吸进射流的气体越来越多，射流边界也不断扩张，形成倒锥形。同时，由于射流边界与周围气体的掺混形成紊动，速度逐渐减小，并向射流中心蔓延，直至中心速度消失。
　　
　　5.2.1中间出口射流分析
　　
　　5.2.2中间出口射流中心温度变化分析
　　
　　速度衰减的过程也是热量传递的过程。图7表示的是中间出风口射流中心线上的温度变化情况。由图可知，值为0.87的射流温度上升的慢，表面与外界热空气的热交换率较慢，但是其射程长，波及范围更广，相对较低的温度对整个车室的冷却更有利。值为0.67的射流温度上升的较快，正如前面分析的，这是因为其射流边界与外界热空气形成的紊动，快速的波及到了射流中心，使得射流与热空气混合更充分，热传递更快速的进行。但是其波及范围较为有限，冷却效果只在小范围内较好。值得注意的是，在0.6/m处和0.7/m处，两种射流的中心温度都明显的上扬，与速度矢量图对比发现，该转折点既为射流从扩张到收缩的转折点。

　　5.2.3两侧出口射流分析
　　
　　两侧出风口的出流属于受迫淹没射流。由于有车门和车窗的限制，射流射出后不是对称的，而是呈半橄榄状。因其只有一面卷吸周围气体，故衰减较慢，射程也较长。但是因其规律不变，可视为完整射流的一半。图8是垂直于出口平面的横截面温度云图。
　　
　　5.3流迹图对比
　　
　　图9是车室内的气流流迹图，表明了气流的流动情况。从图中对比可以看出，在后排乘客的前部，值为0.67的射流形成了较强的涡流。涡流是不利于能量交换的。一般在空调房间气流组织的设计中，都会减少涡量或者使工作区避开涡流区。在汽车车室内也如此。而从图9对比可知，提高空调出口气流均匀性是减少涡量的一种**方法。
　　
　　5.4乘客热舒适性评价
　　
　　图10给出了人体热舒适的温度范围。在降温20分钟时，取后排右边的乘客为对象，测量了在两种均匀性冷却气流的冷却下，其各个部位的温度。
　　
　　
　　总结
　　
　　基于对数值模拟结果的比较分析，本文得到以下结论：
　　
　　（1）速度均匀性差的冷却气流，与外界热气体吸卷掺混稍快，致使热量交换快，但是射流长度短，波及范围小，对整个车室的降温时间长于均匀性好的冷却气流。
　　
　　（2）均匀性好的冷却气流影响范围广，能形成比较均匀的温度分布和较小的涡流，对改善后排乘客的热舒适性更有利。
　　
　　所以，出于对提高空调的工作效率、能源利用率和乘客热舒适性的考虑，在进行空调设计时，除了空调口的风速、角度和安装位置外，冷却气流的速度均匀性是优化空调工作效率的重要方面。

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