空調(diào)管道流場CFD分析報告

1、編號： *空調(diào)管道流場 CFD分析報告項目名稱：編制：校對：審核：批準：日期：日期：日期：日期：汽車有限公司2012年8月目錄1.概述 . .12.計算流程 . .13.計算流體動力學(xué)（ CFD）軟件 FLUENT簡介 .14.除霜風(fēng)道流動及玻璃靜態(tài)溫度和速度分布 . .24.1.模型簡化和網(wǎng)格劃分 . .24.2.模型前處理 . .34.3.求解結(jié)果分析 . .35.吹面風(fēng)道流動及風(fēng)量分配計算 . .85.1.模型前處理與網(wǎng)格劃分 . .85.2.邊界條件及求解設(shè)置 . .85.3.模型求解及結(jié)果分析 . .96.分析結(jié)論 . .11空調(diào)管道流場CFD分析報告QQ 汽車有限公司1. 概述本報

2、告應(yīng)用 CFD數(shù)值分析軟件， 對項目除霜效果進行數(shù)值模擬計算分析， 計算出風(fēng)道各風(fēng)口的風(fēng)量分配比例， 以及玻璃速度和靜態(tài)溫度分布情況， 為進一步細化設(shè)計提供依據(jù)，分析按 GB11556 給出的條件進行。2. 計算流程汽車的中央除霜風(fēng)道主要肩負著輸送分配用來溶化風(fēng)窗玻璃內(nèi)、外表面上的霜或冰，使其恢復(fù)清晰視野的熱空氣之任務(wù)， 這對駕駛安全性至關(guān)重要。所以此段風(fēng)道的主要設(shè)計點在獲得良好的風(fēng)量分配比例和氣流吹拂角度和點擊點位置， 使擋風(fēng)玻璃和兩側(cè)車窗玻璃都能得到理想的靜態(tài)溫度和速度分布。 此次分析的目的就是通過對空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)口一段及車廂內(nèi)的流場計算，得到出風(fēng)道各風(fēng)口的風(fēng)量分配比例及玻璃受風(fēng)情況顯示，此

3、分析過程的流程圖如圖1。初步方案改進方案簡化空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計模型（CATIA ）劃分單元網(wǎng)格（ HYPERMESH ）定義物理模型、材料、邊界條件、初始條件和求解參數(shù)（ FLUENT ）求解（ FLUENT ）改查看分析結(jié)果進結(jié)否構(gòu)模型是否可用改進模型否模擬結(jié)果是否符合設(shè)計要求最終方案圖 1 風(fēng)道除霜分析流程圖3. 計算流體動力學(xué)（ CFD）軟件 FLUENT簡介FLUENT軟件是專用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動與熱交換問題的第1頁共11頁空調(diào)管道流場CFD分析報告QQ 汽車有限公司CFD軟件。FLUENT提供了靈活的網(wǎng)格特性， 用戶可方便地使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對各種復(fù)雜區(qū)域進行網(wǎng)

4、格劃分。 對于二維問題，可生成三角形單元網(wǎng)格和四邊形單元網(wǎng)格；對于三維問題，提供的網(wǎng)格單元包括四面體、 六面體、棱錐、楔形體及雜交網(wǎng)格等。 FLUENT還允許用戶根據(jù)求解規(guī)模、精度及效率等因數(shù)，對網(wǎng)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(qū)域， FLUENT提供的網(wǎng)格自適應(yīng)特性可讓用戶在很高的精度下得到流場的解。4. 除霜風(fēng)道流動及玻璃靜態(tài)溫度和速度分布4.1.模型簡化和網(wǎng)格劃分為了分析除霜系統(tǒng)的除霜效果， 這里重點保留除霜風(fēng)道內(nèi)的所有細節(jié)， 將汽車風(fēng)擋玻璃及儀表板也考慮在內(nèi)， 與車身外表面構(gòu)成一個的封閉艙， 其數(shù)模如圖 2 所示，其中擋風(fēng)玻璃按照給定的 CATIA模型分出 A 區(qū)

5、和 B 區(qū)，兩側(cè)玻璃，兩側(cè)和中央左右共四個內(nèi)部出風(fēng)口，出口按 GB 11556 標準給出。側(cè)車窗玻璃出口A 區(qū)B 區(qū)擋風(fēng)玻璃除霜風(fēng)道圖 2 除霜風(fēng)道 CATIA 數(shù)模右側(cè)窗出口右側(cè)窗出口第2頁共11頁空調(diào)管道流場CFD分析報告QQ 汽車有限公司副駕駛側(cè)出口副駕駛側(cè)出口駕駛員側(cè)出口駕駛員側(cè)出口左側(cè)窗出口左側(cè)窗出口進風(fēng)口進風(fēng)口1015圖 3除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)對空調(diào)除霜風(fēng)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(fēng)道表面特征， 從 CATIA模型中抽出風(fēng)道的內(nèi)表面； 然后去除一些對最終結(jié)果影響很小的細小特征， 因為要精確地模擬這些特征， 會導(dǎo)致生成網(wǎng)格

6、的質(zhì)量變差，求解時的計算量也會成倍增加， 所以對模型進行必要的簡化和幾何清理，尤為重要。對風(fēng)道進行網(wǎng)格劃分時，總體的要求是連續(xù)、均勻、美觀，過渡平緩。網(wǎng)格采用四面體單元，風(fēng)道網(wǎng)格最小5mm，單元總數(shù)約 55 萬。為了清楚了解風(fēng)量比例的分配， 特將中央出風(fēng)口根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)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(shè)：（1）流體的物性參數(shù)（如流體的密度與粘度等）為常數(shù)；（2）出玻璃外，其他的面不考慮與外界有熱交換。求解設(shè)置：風(fēng)道入口為速度入口，出口為壓力出口。設(shè)空氣在風(fēng)道入口處的速度均3勻分布，空氣流量為 175m/h ，轉(zhuǎn)換速度為 4.9

7、3m/s ，水力直接 91.04mm，湍流強度為0.7%，方向垂直于邊界；風(fēng)道出口背壓為零，水力直接為 23.46mm。對于空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道分析，壓力速度耦合一般采用 SIMPLE方法， RNG非平衡壁面函數(shù) k 湍流模型進行分析。 針對該空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)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(jié)果分析流量、壓力和速度結(jié)果分析出風(fēng)口流量（ kg/s ）風(fēng)量分配比例左車窗玻璃側(cè)0.0084912.5%53.2%0.0276140.7%駕駛員側(cè)中央除霜0.0529477.3%副駕駛側(cè)0.0248836.6%46.8%第3頁共11頁空調(diào)管道流場CFD分析報告QQ 汽車

8、有限公司右車窗玻璃側(cè)0.0069110.2%表 1 1015除霜風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)量分配比例出風(fēng)口流量（ kg/s ）風(fēng)量分配比例左車窗玻璃側(cè)0.0055819.4%50.7%駕駛員側(cè)0.0245441.3%中央除霜0.0482281.1%副駕駛側(cè)0.0236839.8%49.3%右車窗玻璃側(cè)0.0056649.5%表 2除霜風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)量分配比例1015注：表中出風(fēng)口位置1、 2、3、 4 分別代表左側(cè)窗出口、駕駛員側(cè)出口、副駕駛側(cè)出口、右側(cè)窗出口圖 4除霜風(fēng)道各出口流量分配柱狀圖相對應(yīng)于圖 3 的除霜風(fēng)道，其各個出風(fēng)口的風(fēng)量分配比例如表 1、 2 和圖 4 所示，從圖可以看出 1015 除霜風(fēng)道

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

10、顯比 1015 的多，入口風(fēng)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(fēng)道的結(jié)構(gòu)在多處第4頁共11頁空調(diào)管道流場CFD分析報告QQ 汽車有限公司1015圖 4除霜風(fēng)道內(nèi)表面壓力分布產(chǎn)生回流，不利于空氣流動，入口風(fēng)速比 1015 小很多，但負壓去比 1015 大很多，是 1015 的兩倍，空氣內(nèi)摩擦較大，內(nèi)摩擦產(chǎn)生能量損失較多，需要優(yōu)化。1015圖 5 除霜風(fēng)道內(nèi)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(fēng)玻璃和側(cè)車窗玻璃的氣流速度較大， A、B 區(qū)除霜效果較好，速度分布較均勻，同時側(cè)風(fēng)窗上用以觀察后視

11、鏡所可能通過的區(qū)域氣流速度較高。 速度集中在一定區(qū)域， 側(cè)面玻璃 C 區(qū)的速度很小，從圖 7 可知 C 區(qū)大部分大于 0.5m/s 。從圖 6、7 可以看出，整個 1015 前擋風(fēng)玻璃和側(cè)車窗玻璃上的氣流速度分布較均勻，這對于此車擋風(fēng)玻璃的除霜是很好的； 對于中央除霜風(fēng)量不多的情形， 就要求較多的氣流流動集中在擋風(fēng)玻璃的 A、B 兩區(qū)，即要求氣流的噴射角度能夠使得氣流從出風(fēng)口出來直接到達 B 區(qū)的下沿，使駕駛員視野區(qū)域更好的得以除霜； 同時使較多的氣流吹拂到側(cè)風(fēng)窗上用以觀察后視鏡所可能通過的區(qū)域，使駕駛員能夠獲得足夠的視野。第5頁共11頁空調(diào)管道流場CFD分析報告QQ 汽車有限公司101510

12、15（大于 0.5m/s 以上區(qū)域）（大于 0.5m/s 以上區(qū)域）圖 6前擋風(fēng)玻璃速度云圖10151015（大于 0.5m/s 以上區(qū)域）（大于 0.5m/s 以上區(qū)域）圖 7兩側(cè)車窗玻璃速度云圖第6頁共11頁空調(diào)管道流場CFD分析報告QQ 汽車有限公司溫度結(jié)果分析10151015（大于 273K以上）（大于 263K以上）圖 8前擋風(fēng)玻璃靜態(tài)溫度分布云圖10151015（大于 273K以上）（大于 258K 以上）圖 9兩側(cè)車窗玻璃靜態(tài)溫度分布云圖從圖 8、9 看出，1015 不管是前擋風(fēng)玻璃還是兩側(cè)車窗玻璃，溫度分布都比較合理，第7頁共11頁空調(diào)管道流場CFD分析報告QQ 汽車有限公司A

13、、A和 B 區(qū)溫度，以及兩側(cè)車窗的玻璃都大于 273K，在冰的熔點溫度之上，的前擋風(fēng)玻璃只有少部分區(qū)域大于 273K，兩側(cè)的玻璃溫度均小于 273K，最大溫度是 264K，同時結(jié)合圖 6 的速度分布云圖看出有明顯的V 型死區(qū)，除霜要求可能不能滿足國標要求。產(chǎn)生兩側(cè)玻璃溫度和速度最大分布不在C 區(qū)原因，一是風(fēng)管左右兩側(cè)出口的傾角太靠上；二是點擊點位置有問題。前擋風(fēng)玻璃靜態(tài)溫度和速度變換視頻，以及1015 除霜效果視頻如下：玻璃瞬態(tài)速度視頻.mpeg玻璃瞬態(tài)靜溫視頻.mpegzx 面瞬態(tài)靜溫視頻.mpeg1015前 820 秒冰融化 .mpeg15 到 25 分鐘冰融化 .mpeg15 到 25

14、分鐘冰靜溫 .mpeg5. 吹面風(fēng)道流動及風(fēng)量分配計算5.1. 模型前處理與網(wǎng)格劃分出風(fēng)口 L（左車窗側(cè)）出風(fēng)口 ML（駕駛員側(cè)）出風(fēng)口 MR（副駕駛側(cè)）出風(fēng)口 R（右車窗側(cè)）進風(fēng)口圖 10吹面風(fēng)道結(jié)構(gòu)對空調(diào)吹面風(fēng)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(fēng)道表面特征， 從 CAD模型中抽出風(fēng)道的內(nèi)表面； 然后去除一些對最終結(jié)果影響很小的細微特征， 因為要精確地模擬這些特征， 會導(dǎo)致生成網(wǎng)格的質(zhì)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(fēng)道進行網(wǎng)格劃分時的總體要求是連續(xù)、均勻、美觀，過渡平緩。網(wǎng)格采用四面體單元，風(fēng)道網(wǎng)

15、格最小 1.5mm，單元總數(shù)約 66 萬。為了清楚了解風(fēng)量比例的分配，將風(fēng)道出風(fēng)口根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)分為若干部分，具體見圖 10 所示。5.2. 邊界條件及求解設(shè)置為了簡化問題，對于計算區(qū)域作如下簡化假設(shè)：（1）固體區(qū)與流體區(qū)的物性參數(shù)（如固體的密度，流體的密度與粘度等）為常數(shù)；（2）流動為穩(wěn)態(tài)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。第8頁共11頁空調(diào)管道流場CFD分析報告QQ 汽車有限公司求解設(shè)置：風(fēng)道入口為速度入口，設(shè)空氣在風(fēng)道入口處的速度均勻分布，空氣流量3為 300m/h ，方向垂直于邊界；風(fēng)道出口背壓為零。對于空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道分析，壓力 速度耦合一般采用

16、 SIMPLE方法， RNG k- 湍流模型進行分析。針對該空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)計要求，收斂判斷條件為所有物理量的誤差不大于1.0E-4 。5.3.模型求解及結(jié)果分析出風(fēng)口流量（ kg/s ）風(fēng)量分配比例左車窗玻璃側(cè) L0.0184618.6%49.4%中央駕駛員側(cè) ML0.059490.0305260.0%30.8%吹面副駕駛側(cè) MR0.0289729.2%50.6%右車窗玻璃側(cè) R0.0212321.4%表 3吹面風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)量分配比例3530.83029.22521.4%比2018.6配分量 15流10501234出風(fēng)口位置注：表中出風(fēng)口位置1、 2、3、 4 分別代表左側(cè)窗出口、駕駛員側(cè)出口、

17、副駕駛側(cè)出口、右側(cè)窗出口圖 11吹面風(fēng)道各出口流量分配柱狀圖相對應(yīng)于圖 11 的吹面風(fēng)道，其各個出風(fēng)口的風(fēng)量分配比例如表 3 和圖 11 所示，從圖 11 可以看出吹面風(fēng)道左右兩側(cè)的風(fēng)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(wěn)態(tài)流動后， 風(fēng)道內(nèi)表面所受到的空氣靜壓力， 圖 13 是風(fēng)道內(nèi)部的壓力流線圖，從壓力整體的分布規(guī)律來看， 風(fēng)道入口到出口的壓力分布是比較合理的，風(fēng)道出口無明顯的負壓區(qū)。第9頁共11頁空調(diào)管道流場CFD分析報告QQ 汽車有限公司圖 12吹面風(fēng)道內(nèi)表面壓力分布圖 13吹面風(fēng)道內(nèi)部壓力流線圖由圖 12、13 可以看出，雖然風(fēng)道幾何進口階段并不是

18、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?qū)ΨQ，表明兩邊的氣流分配均勻。圖 14吹面氣流在各出風(fēng)口的速度矢量圖第10頁共11頁空調(diào)管道流場CFD分析報告QQ 汽車有限公司圖 14 吹面氣流在各出風(fēng)口的速度矢量圖，由圖可見各個出風(fēng)口速度相當，但出風(fēng)口風(fēng)速分布不夠均勻， 部分區(qū)域速度很小， 從整體效果來看，吹面風(fēng)道出風(fēng)口速度分布情況較好。6. 分析結(jié)論以上對的除霜效果進行初步分析， 從現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)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(jié)論如下：1 從上面的結(jié)果和分析看出風(fēng)管的結(jié)構(gòu)不是很理想，內(nèi)部有好基礎(chǔ)負壓的區(qū)域， 而且負壓值很大，產(chǎn)生空氣內(nèi)部摩擦，效果能量，建議進一步優(yōu)化風(fēng)管結(jié)構(gòu)；2 除霜風(fēng)道左右兩側(cè)的風(fēng)量分配比例分別為50.7%和 49.3%，基本合理；但通往左右兩側(cè)車窗玻璃（即駕駛員側(cè)和副駕駛側(cè)）的風(fēng)量比例各是9.4%和 9.5%，比例較小。前擋風(fēng)玻璃靜和