1、0 / 13 文檔可自由編輯打印編號：*空調管道流場 CFD 分析報告項目名稱： 編制： 日期： 校對： 日期： 審核： 日期： 批準： 日期： 汽車有限公司2012 年 8 月1 / 13 文檔可自由編輯打印目目 錄錄1.概述 .12.計算流程 .13.計算流體動力學（CFD）軟件FLUENT 簡介.14.除霜風道流動及玻璃靜態溫度和速度分布 .24.1.模型簡化和網格劃分 .24.2.模型前處理 .34.3.求解結果分析 .35.吹面風道流動及風量分配計算 .85.1.模型前處理與網格劃分 .85.2.邊界條件及求解設置 .85.3.模型求解及結果分析 .96.分析結論 .111 / 13

2、 文檔可自由編輯打印1.1. 概述概述本報告應用 CFD 數值分析軟件，對項目除霜效果進行數值模擬計算分析，計算出風道各風口的風量分配比例，以及玻璃速度和靜態溫度分布情況，為進一步細化設計提供依據，分析按 GB11556 給出的條件進行。2.2. 計算流程計算流程汽車的中央除霜風道主要肩負著輸送分配用來溶化風窗玻璃內、外表面上的霜或冰，使其恢復清晰視野的熱空氣之任務，這對駕駛安全性至關重要。所以此段風道的主要設計點在獲得良好的風量分配比例和氣流吹拂角度和點擊點位置，使擋風玻璃和兩側車窗玻璃都能得到理想的靜態溫度和速度分布。此次分析的目的就是通過對空調風道出風口一段及車廂內的流場計算，得到出風道

3、各風口的風量分配比例及玻璃受風情況顯示，此分析過程的流程圖如圖 1。初步方案簡化空調系統的設計模型（CATIA）劃分單元網格（HYPERMESH）定義物理模型、材料、邊界條件、初始條件和求解參數（FLUENT）求解（FLUENT）查看分析結果模型是否可用模擬結果是否符合設計要求最終方案改進模型改進結構改進方案否否圖 1 風道除霜分析流程圖3.3. 計算流體動力學（計算流體動力學（CFDCFD）軟件）軟件FLUENTFLUENT 簡介簡介FLUENT 軟件是專用于模擬和分析在復雜幾何區域內的流體流動與熱交換問題的 CFD2 / 13 文檔可自由編輯打印軟件。FLUENT 提供了靈活的網格特性，用

4、戶可方便地使用結構網格和非結構網格對各種復雜區域進行網格劃分。對于二維問題，可生成三角形單元網格和四邊形單元網格；對于三維問題，提供的網格單元包括四面體、六面體、棱錐、楔形體及雜交網格等。FLUENT 還允許用戶根據求解規模、精度及效率等因數，對網格進行整體或局部的細化和粗化。對于具有較大梯度的流動區域，FLUENT 提供的網格自適應特性可讓用戶在很高的精度下得到流場的解。4.4. 除霜風道流動及玻璃除霜風道流動及玻璃靜態溫度和速度分布靜態溫度和速度分布4.1.模型簡化和網格劃分為了分析除霜系統的除霜效果，這里重點保留除霜風道內的所有細節，將汽車風擋玻璃及儀表板也考慮在內，與車身外表面構成一個

5、的封閉艙，其數模如圖 2 所示，其中擋風玻璃按照給定的 CATIA 模型分出 A 區和 B 區，兩側玻璃，兩側和中央左右共四個內部出風口，出口按 GB11556 標準給出。圖 2 除霜風道 CATIA 數模B 區擋風玻璃除霜風道側車窗玻璃出口A 區右側窗出口右側窗出口3 / 13 文檔可自由編輯打印1015圖 3 除霜風道結構對空調除霜風道進行流體分析前，首先需要對 CATIA 模型進行前處理（見圖 2、3） ，去除對分析沒有影響的風道表面特征，從 CATIA 模型中抽出風道的內表面；然后去除一些對最終結果影響很小的細小特征，因為要精確地模擬這些特征，會導致生成網格的質量變差，求解時的計算量也

6、會成倍增加，所以對模型進行必要的簡化和幾何清理，尤為重要。對風道進行網格劃分時，總體的要求是連續、均勻、美觀，過渡平緩。網格采用四面體單元，風道網格最小 5mm，單元總數約 55 萬。為了清楚了解風量比例的分配，特將中央出風口根據幾何結構分為若干部分，具體見圖 3 所示。4.2. 模型前處理邊界按國標 GB11556 給出，并如下簡化假設：（1）流體的物性參數（如流體的密度與粘度等）為常數；（2）出玻璃外，其他的面不考慮與外界有熱交換。求解設置：風道入口為速度入口，出口為壓力出口。設空氣在風道入口處的速度均勻分布，空氣流量為 175m3/h，轉換速度為 4.93m/s，水力直接 91.04mm

7、，湍流強度為0.7%，方向垂直于邊界；風道出口背壓為零，水力直接為 23.46mm。對于空調系統的風道分析，壓力速度耦合一般采用 SIMPLE 方法，RNG 非平衡壁面函數k湍流模型進行分析。針對該空調系統及設計要求，收斂判斷條件為所有物理量的誤差不大于 1.0E-4。4.3. 求解結果分析4.3.1. 流量、壓力和速度結果分析出風口流量（kg/s）風量分配比例左車窗玻璃側0.0084912.5%駕駛員側0.0276140.7%53.2%中央除霜副駕駛側0.052940.0248877.3%36.6%46.8%進風口副駕駛側出口駕駛員側出口左側窗出口進風口副駕駛側出口駕駛員側出口左側窗出口4

8、/ 13 文檔可自由編輯打印右車窗玻璃側0.0069110.2%表 1 1015 除霜風道出風口風量分配比例出風口流量（kg/s）風量分配比例左車窗玻璃側0.0055819.4%駕駛員側0.0245441.3%50.7%中央除霜副駕駛側0.048220.0236881.1%39.8%右車窗玻璃側0.0056649.5%49.3%表 2 除霜風道出風口風量分配比例1015注：表中出風口位置 1、2、3、4 分別代表左側窗出口、駕駛員側出口、副駕駛側出口、右側窗出口圖 4 除霜風道各出口流量分配柱狀圖相對應于圖 3 的除霜風道，其各個出風口的風量分配比例如表 1、2 和圖 4 所示，從圖可以看出

9、1015 除霜風道左右兩側的風量分配比例分別為 53.2%和 46.8%，基本合理，通往左右側車窗玻璃的風量比例各是 12.5%和 10.2%。除霜風道左右兩側的風量分配比例分別為 50.7%和 49.3%，比較合理，通往左右側車窗玻璃的風量比例各是 9.4%和9.5%，左右側車窗的流量比 1015 的小。圖 4 是空氣進入穩態流動后，風道內表面所受到的空氣靜壓力，圖 5 是風道內部的壓力流線圖，從壓力整體的分布規律來看，1015 風道入口到出口的壓力分布是比較合理的，風道出口無明顯的負壓區，1015 入口風速為 7.11m/s，壓力最大值為 84.3Pa，最小值為-27.1Pa；但的出現的負

10、壓區明顯比 1015 的多，入口風速為 4.93m/s，壓力最大值為 60.9Pa，最小值為-52Pa。 ，從兩者的比較看出，風道的結構在多處5 / 13 文檔可自由編輯打印1015圖 4 除霜風道內表面壓力分布產生回流，不利于空氣流動，入口風速比 1015 小很多，但負壓去比 1015 大很多，是1015 的兩倍，空氣內摩擦較大，內摩擦產生能量損失較多，需要優化。1015圖 5 除霜風道內部壓力流線圖圖 6、7 都是玻璃上的氣流速度值。從這些圖上可以看到 1015 前擋風玻璃和側車窗玻璃的氣流速度較大，A、B 區除霜效果較好，速度分布較均勻，同時側風窗上用以觀察后視鏡所可能通過的區域氣流速度

11、較高。速度集中在一定區域，側面玻璃 C 區的速度很小，從圖 7 可知 C 區大部分大于 0.5m/s。從圖 6、7 可以看出，整個 1015 前擋風玻璃和側車窗玻璃上的氣流速度分布較均勻，這對于此車擋風玻璃的除霜是很好的；對于中央除霜風量不多的情形，就要求較多的氣流流動集中在擋風玻璃的 A、B 兩區，即要求氣流的噴射角度能夠使得氣流從出風口出來直接到達 B 區的下沿，使駕駛員視野區域更好的得以除霜；同時使較多的氣流吹拂到側風窗上用以觀察后視鏡所可能通過的區域，使駕駛員能夠獲得足夠的視野。6 / 13 文檔可自由編輯打印10151015（大于 0.5m/s 以上區域）（大于 0.5m/s 以上區

12、域）圖 6 前擋風玻璃速度云圖10151015（大于 0.5m/s 以上區域）（大于 0.5m/s 以上區域）圖 7 兩側車窗玻璃速度云圖7 / 13 文檔可自由編輯打印4.3.2. 溫度結果分析10151015（大于 273K 以上）（大于 263K 以上）圖 8 前擋風玻璃靜態溫度分布云圖10151015（大于 273K 以上）（大于 258K 以上）圖 9 兩側車窗玻璃靜態溫度分布云圖從圖 8、9 看出，1015 不管是前擋風玻璃還是兩側車窗玻璃，溫度分布都比較合理，8 / 13 文檔可自由編輯打印A、A和 B 區溫度，以及兩側車窗的玻璃都大于 273K，在冰的熔點溫度之上，的前擋風玻璃

13、只有少部分區域大于 273K，兩側的玻璃溫度均小于 273K，最大溫度是 264K，同時結合圖 6 的速度分布云圖看出有明顯的 V 型死區，除霜要求可能不能滿足國標要求。產生兩側玻璃溫度和速度最大分布不在 C 區原因，一是風管左右兩側出口的傾角太靠上；二是點擊點位置有問題。前擋風玻璃靜態溫度和速度變換視頻，以及 1015 除霜效果視頻如下：玻璃瞬態速度視頻.mpeg玻璃瞬態靜溫視頻.mpegzx 面瞬態靜溫視頻.mpeg1015前 820 秒冰融化.mpeg15 到 25 分鐘冰融化.mpeg15 到 25 分鐘冰靜溫.mpeg5.5. 吹面風道流動及風量分配計算吹面風道流動及風量分配計算5.

14、1. 模型前處理與網格劃分 圖 10 吹面風道結構對空調吹面風道進行流體分析前，首先需要對 CAD 模型進行前處理，去除對分析沒有影響的風道表面特征，從 CAD 模型中抽出風道的內表面；然后去除一些對最終結果影響很小的細微特征，因為要精確地模擬這些特征，會導致生成網格的質量變差，求解時計算量會成倍增加，所以對模型進行必要的簡化和幾何處理，尤為重要。對風道進行網格劃分時的總體要求是連續、均勻、美觀，過渡平緩。網格采用四面體單元，風道網格最小 1.5mm，單元總數約 66 萬。為了清楚了解風量比例的分配，將風道出風口根據幾何結構分為若干部分，具體見圖 10 所示。5.2. 邊界條件及求解設置為了簡

15、化問題，對于計算區域作如下簡化假設：（1）固體區與流體區的物性參數（如固體的密度，流體的密度與粘度等）為常數；（2）流動為穩態流動（速度、壓力、溫度等物理量不隨時間變化） ；（3）不考慮重力和溫度的影響。出風口L（左車窗側）出風口ML（駕駛員側）出風口MR（副駕駛側）出風口R（右車窗側）進風口9 / 13 文檔可自由編輯打印求解設置：風道入口為速度入口，設空氣在風道入口處的速度均勻分布，空氣流量為 300m3/h，方向垂直于邊界；風道出口背壓為零。對于空調系統的風道分析，壓力速度耦合一般采用 SIMPLE 方法，RNG k-湍流模型進行分析。針對該空調系統及設計要求，收斂判斷條件為所有物理量的

16、誤差不大于 1.0E-4。5.3. 模型求解及結果分析出風口流量（kg/s）風量分配比例左車窗玻璃側 L0.0184618.6%駕駛員側 ML0.0305230.8%49.4%中央吹面副駕駛側 MR0.059490.0289760.0%29.2%右車窗玻璃側 R0.0212321.4%50.6%表 3 吹面風道出風口風量分配比例18.630.829.221.4051015202530351234出風口位置流量分配比%注：表中出風口位置 1、2、3、4 分別代表左側窗出口、駕駛員側出口、副駕駛側出口、右側窗出口圖 11 吹面風道各出口流量分配柱狀圖相對應于圖 11 的吹面風道，其各個出風口的風量

17、分配比例如表 3 和圖 11 所示，從圖 11 可以看出吹面風道左右兩側的風量分配比例分別為 49.4%和 50.6%，基本合理。圖 12 是空氣進入穩態流動后，風道內表面所受到的空氣靜壓力，圖 13 是風道內部的壓力流線圖，從壓力整體的分布規律來看，風道入口到出口的壓力分布是比較合理的，風道出口無明顯的負壓區。10 / 13 文檔可自由編輯打印圖 12 吹面風道內表面壓力分布圖 13 吹面風道內部壓力流線圖由圖 12、13 可以看出，雖然風道幾何進口階段并不是左右對稱，但是在分配后的管道上其壓力顯示左右相對均勻對稱，表明兩邊的氣流分配均勻。 圖 14 吹面氣流在各出風口的速度矢量圖11 /

18、13 文檔可自由編輯打印圖 14 吹面氣流在各出風口的速度矢量圖，由圖可見各個出風口速度相當，但出風口風速分布不夠均勻，部分區域速度很小，從整體效果來看，吹面風道出風口速度分布情況較好。6.6. 分析結論分析結論以上對的除霜效果進行初步分析，從現在的結構分析看，的除霜效果有一定的問題，有可能不能滿足國家標準的要求，結論如下：1 從上面的結果和分析看出風管的結構不是很理想，內部有好基礎負壓的區域，而且負壓值很大，產生空氣內部摩擦，效果能量，建議進一步優化風管結構；2 除霜風道左右兩側的風量分配比例分別為 50.7%和 49.3%，基本合理；但通往左右兩側車窗玻璃（即駕駛員側和副駕駛側）的風量比例各是 9.4%和 9.5%，比例