空調(diào)管道流場CFD分析實施報告

1、-PAGE . z.編號：*空調(diào)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(zhǔn)：日期：汽車2012年8月目錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc3263142691.概述 PAGEREF _Toc326314269 h 1HYPERLINK l _Toc3263142702.計算流程 PAGEREF _Toc326314270 h 1HYPERLINK l _Toc3263142713.計算流體動力學(xué)（CFD）軟件FLUENT簡介 PAGEREF _Toc326314271 h 1HYPERLINK l _Toc3263142724.除霜

2、風(fēng)道流動及玻璃靜態(tài)溫度和速度分布 PAGEREF _Toc326314272 h 2HYPERLINK l _Toc3263142734.1.模型簡化和網(wǎng)格劃分 PAGEREF _Toc326314273 h 2HYPERLINK l _Toc3263142744.2.模型前處理 PAGEREF _Toc326314274 h 3HYPERLINK l _Toc3263142754.3.求解結(jié)果分析 PAGEREF _Toc326314275 h 3HYPERLINK l _Toc3263142785.吹面風(fēng)道流動及風(fēng)量分配計算 PAGEREF _Toc326314278 h 8HYPERLI

3、NK l _Toc3263142795.1.模型前處理與網(wǎng)格劃分 PAGEREF _Toc326314279 h 8HYPERLINK l _Toc3263142805.2.邊界條件及求解設(shè)置 PAGEREF _Toc326314280 h 8HYPERLINK l _Toc3263142815.3.模型求解及結(jié)果分析 PAGEREF _Toc326314281 h 9HYPERLINK l _Toc3263142826.分析結(jié)論 PAGEREF _Toc326314282 h 11-. z.概述本報告應(yīng)用CFD數(shù)值分析軟件，對項目除霜效果進(jìn)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，

4、以及玻璃速度和靜態(tài)溫度分布情況，為進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計提供依據(jù)，分析按GB11556給出的條件進(jìn)行。計算流程汽車的中央除霜風(fēng)道主要肩負(fù)著輸送分配用來溶化風(fēng)窗玻璃、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，此分析過程的流程圖如圖1。初步方案簡化空調(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

5、界條件、初始條件和求解參數(shù)（FLUENT）求解（FLUENT）查看分析結(jié)果模型是否可用模擬結(jié)果是否符合設(shè)計要求最終方案改進(jìn)模型改進(jìn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案否否圖1 風(fēng)道除霜分析流程圖計算流體動力學(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)域的流體流動與熱交換問題的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(jìn)行網(wǎng)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(jìn)行整體或局部的細(xì)

6、化和粗化。對于具有較大梯度的流動區(qū)域，F(xiàn)LUENT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。除霜風(fēng)道流動及玻璃靜態(tài)溫度和速度分布模型簡化和網(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)道的所有細(xì)節(jié)，將汽車風(fēng)擋玻璃及儀表板也考慮在，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)和B區(qū)，兩側(cè)玻璃，兩側(cè)和中央左右共四個部出風(fēng)口，出口按GB11556標(biāo)準(zhǔn)給出。出口側(cè)車窗玻璃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)窗出口進(jìn)風(fēng)口副駕駛側(cè)出口駕駛員側(cè)出口左側(cè)窗出口右側(cè)窗出口駕駛員側(cè)出口副駕駛側(cè)出口左側(cè)窗出口進(jìn)風(fēng)口1015圖3

7、 除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)對空調(diào)除霜風(fēng)道進(jìn)行流體分析前，首先需要對CATIA模型進(jìn)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)道的表面；然后去除一些對最終結(jié)果影響很小的細(xì)小特征，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，求解時的計算量也會成倍增加，所以對模型進(jìn)行必要的簡化和幾何清理，尤為重要。對風(fēng)道進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，總體的要連續(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。模型前處理邊界按國標(biāo)GB11556給出，并如下簡化假設(shè)：（1）流體的物

8、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)道入口處的速度均勻分布，空氣流量為175m3/h，轉(zhuǎn)換速度為4.93m/s，水力直接91.04mm，湍流強(qiáng)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)湍流模型進(jìn)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。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

9、%53.2%中央除霜駕駛員側(cè)0.052940.0276177.3%40.7%副駕駛側(cè)0.0248836.6%46.8%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%中央除霜駕駛員側(cè)0.048220.0245481.1%41.3%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)

10、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(jìn)入穩(wěn)態(tài)流動后，風(fēng)道表面所受到的空氣靜壓力，圖5是風(fēng)道部的壓力流線圖，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(fù)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-2

11、7.1Pa；但的出現(xiàn)的負(fù)壓區(qū)明顯比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1015圖4 除霜風(fēng)道表面壓力分布產(chǎn)生回流，不利于空氣流動，入口風(fēng)速比1015小很多，但負(fù)壓去比1015大很多，是1015的兩倍，空氣摩擦較大，摩擦產(chǎn)生能量損失較多，需要優(yōu)化。1015圖5 除霜風(fēng)道部壓力流線圖圖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，

12、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(dá)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。10151015（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

13、度云圖溫度結(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，A、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(biāo)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

14、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.mpegz*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分鐘冰靜溫.mpeg吹面風(fēng)道流動及風(fēng)量分配計算模型前處理與網(wǎng)格劃分出風(fēng)口L（左車窗側(cè)）進(jìn)風(fēng)口出風(fēng)口R（右車窗側(cè)）出風(fēng)口ML（駕駛員側(cè)）出風(fēng)口MR（副駕駛側(cè)） 圖10吹面風(fēng)道結(jié)構(gòu)對空調(diào)吹面風(fēng)道進(jìn)行流體分析前，首先需要對CAD模型進(jìn)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)道的表面；然后去除一些對最終結(jié)果影響很小的細(xì)微特征，因為要精確地模擬這些特征，

15、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(jìn)行必要的簡化和幾何處理，尤為重要。對風(fēng)道進(jìn)行網(wǎng)格劃分時的總體要連續(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。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。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，空氣流量為3

16、00m3/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SIMPLE方法，RNG k-湍流模型進(jìn)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。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%中央吹面駕駛員側(cè)ML0.059490.0305260.0%30.8%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11 吹

17、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(jìn)入穩(wěn)態(tài)流動后，風(fēng)道表面所受到的空氣靜壓力，圖13是風(fēng)道部的壓力流線圖，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(fù)壓區(qū)。圖12 吹面風(fēng)道表面壓力分布圖13 吹面風(fēng)道部壓力流線圖由圖12、13可以看出，雖然風(fēng)道幾何進(jìn)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?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(dāng)，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。分析結(jié)論以上對的除霜效果進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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，部有好基礎(chǔ)負(fù)壓的區(qū)域，而且負(fù)壓值很大，產(chǎn)生空氣部摩擦，效果能量，建議進(jìn)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