0 前言
隨著汽車技術的不斷發展，以及人們對汽車舒適性的要求提高，空調在汽車上的配置越來越普遍。本公司某款車發生在低速、怠速時空調系統制冷能力不足的問題。初步分析發生此現象的原因是位于機艙內的散熱元件冷凝器不滿足使用要求。于是，我們應用三維流體分析軟件STAR-CCM+對其機艙流場進行了未加熱源的冷態流場的分析計算，進一步分析問題的原因。
1 原設計車模擬模型及邊界條件
模擬流程是先將車輛的三維CAD模型進行網格劃分，及一些特殊處理及設定邊界條件，然后解算。
1.1 原設計車模型
模擬的物理模型為：將該款車置于某風洞進行流場測試。圖1a）為車輛網格化后的模型，b）為車輛在風洞內固定安裝位置后的整體仿真域模型。
圖1 風洞流場測試
1.2 假設及邊界條件
假定及簡化主要包括：i)空氣密度視為常數，不隨壓力的變化而變化；ii)風扇以均勻轉速運行；iii)散熱器、冷凝器采用多孔介質處理；iv)風扇采用風扇動量源模型方式處理；v)幾何簡化，一些不重要的比較小的幾何特征作了簡化處理；vi)計算量與硬件綜合考慮，未考慮機艙內各熱源的發熱量引起的溫度變化的影響。
模擬的風洞測試環境條件：i)溫度為40℃，查得此時空氣密度1.128kg/m3，粘度1.91e-5 Pa-s；ii)整個計算域入口類型為velocityinlet；iii)出口類型為pressure outlet，出口壓力均為101325Pa；iv)計算工況分別為車速0km/h、40km/h。
2 原設計車結果及分析
2.1 流經換熱器的流量及壓力
表1 不同工況下通過換熱器以及格柵、風扇的空氣流量
表1為各工況下空氣流量分配(m3/h)。怠速時，風扇起主要作用，冷卻空氣不僅從格柵進入機艙，還有其他入口，因此格柵進氣量相比較于流經換熱器的流量而言較小。隨著車速增加，各處風量均有增加，尤其是格柵入口處，其流量己超過散熱器流量。同時，經過與以往分析的車型相比較，此車型在怠速、低速時的冷卻空氣流量并無明顯虧缺。
2.2 機艙內的流場分布
圖2 熱風回流通路一
圖3 熱風回流通路二
從圖2、圖3中，可以看到比較明顯的回流通路，圖2為冷凝器側邊，圖3為冷凝器底部。經過冷凝器和散熱器的熱風經回流通路回到冷凝器之前，與溫度較低的新風相混合，使冷卻空氣的溫度提高，從而降低了對換熱器內熱流體的冷卻效果。
3 優化設計后的改進模型及結果
3.1 改進車模型
圖4 改進車模型
為了改善車載空調低速時的性能，結合文中2.2計算所發現的問題，對車載空調系統進行了整改，主要措施是：1）加大冷凝器面積，以期增強冷凝器換熱；2）在回流比較嚴重的部位，增加了導流板。如圖4所示。
3.2 改進車機艙流場分析結果
表2 改款前后流量對比（車速40km/h）
表2為改款前后流經各重要監測面的流量對比(m3/h)，可以看到，改款后，各處風量均有所下降，最大降幅達20%。這主要是由于冷凝器加大，以及添置了冷凝器導流板后，機艙內流動阻力增大，而機艙入口格柵開口面積及形狀未變，從而造成進入機艙內的空氣流量減小所致。同時從圖5中可以看到，圖2所描述的回流顯著減少。圖3中的回流同樣減少。這樣，冷卻空氣的品質得到改善。
圖5 改款后冷凝器側邊的速度分布
4 原設計車及改進車樣件裝車測試結果
先后進行了原設計車及改進車分別在車速為怠速、40km/h、60km/h、120km/h時的空調降溫實驗，按照公司相關標準進行評價。
兩車型最差結果均出現在怠速工況，原設計車乘員頭部平均溫度為33.5℃，空調制冷等級為七級，空調舒適度為熱�？照{冷凝器結構優化后，乘員頭部平均溫度為27.5℃，制冷等級為四級，舒適度為舒適。從而證明了冷凝器改進后增大了空調系統換熱量，原設計車在怠速時制冷量不足的問題得到了解決。
5 結論
利用STAR-CCM+計算了某型車在其發生空調制冷量不足問題的怠速、低速時的冷態的機艙流場，得到了流經冷凝器、散熱器等的冷卻空氣流量。經與其他車型分析結果對照，空氣流量并無明顯虧缺。同時得出了其流速、壓力等流體參數分布，發現了一些回流等問題。
根據發現的問題，對冷凝器進行了改進，并用同樣的方法，對改進車進行了機艙流場分析。對比原款車，各監測處風量均有所下降，但主要下降量為回流熱風，因此，冷卻空風量氣的品質是有所改善的。經過改善后的樣件裝車測試，車載空調器在低速、怠速時冷量不足得到解決。
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本文標題：機艙流場分析在汽車空調優化設計中的應用
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