图1 汽车空调系统的HVAC 箱体总成

HVAC箱体是空调系统的关键部件，其性能的改进对整车空调性能的提高具有重要意义。本文采用试验和CFD仿真分析相结合的方法对HVAC箱体进行研究，在汽车产品开发初期进行了多方案比较，以确定有效的设计手段和评价方法。

CAXX货车驾驶室是一汽集团公司技术中心设计的新一代载重车新产品，其中空调箱体总成部分为我技术中心独立设计完成的。为提高产品的技术含量，与国际汽车行业接轨，该总成在原有产品的基础上，结构做了很大改进。我们首次将CFD（Calculate Fluid Dynamics，计算流体动力学）技术应用于空调系统的产品设计开发过程中，通过对换代货车空调系统箱体总成的各种送风方式的CFD模拟及试验研究，在产品开发初期进行了多方案比较，以选择合理的结构并积累数据，以确定有效的设计手段和评价方法。

汽车空调系统HVAC箱体总成具有两个功能，首先，它安放暖风芯体和蒸发器芯体；其次，它给车室内引入新鲜空气及再循环的空气。其工作过程：在离心风机的作用下，所需处理的空气通过蒸发器，进行冷却除湿处理，然后经过空气混合风门，部分直接吹向空气混合室，部分吹向暖风加热器进行加热处理。这些处理过的空气由除霜出风口、吹面出风口和吹足出风口等送入车室内。空调系统的箱体总成设计的好坏直接影响到整车空调性能及舒适性。因此空调系统的箱体总成性能好坏意义重大，其性能评价本文采用试验室验证和计算机模拟运算相结合的方法。

试验研究

1.试验对象

汽车空调系统的HVAC箱体总成理论上分为三部分：吸气段、送气通风段和空气分配段。其结构如图1所示，在最大制冷状态下，空气来自车内，流经蒸发器，并从仪表板出风口流出。

图2  暖风除霜状态出风口传感器布置

2.试验装置及测量原理

（1）送风量测量 采用空调系统试验台中的空气流量测量装置，进行风机送风量、箱体总成各种状态下的送风量及蒸发器芯体、暖风芯体通风阻力试验。

空气流量测量装置是按照GB1236-85“通风机空气动力性能试验方法”，并参照美国采暖工程师协会标准ASHRAE51-75而设计的。其装置包括圆弧型集流器、风管、调节门、辅助风机和风室。空气通过圆弧型集流器加速，静压下降，通过静压差计算出流量值Q。

计算公式如下：

式中：

流量系数——αn=0.99；

集流器直径——dn；

膨胀系数——；

集流器差压——Δpn。

测量数据采集由计算机自动完成，测量精度为±1%。

（2）风速分布测量 采用德国生产的Testo454型多点分布风速测量仪测量出口风速及分布。Testo454型多点分布风速温度测量仪由控制器、数据采集器、传感器探头和数据管理软件组成，能测量并存储250000个读数，热线式传感器精度±0.04m/s。传感器布点如图2所示，因出风口截面是矩形，将该截面分成若干个相等的小截面，并使各小截面尽可能接近正方形，测量点位于各小截面的中心处。

模拟研究

1.计算对象

根据我们计算软件的实际情况决定采用Fluent软件进行计算模拟。因计算机容量的限制，空调系统的箱体总成分为两部分进行模拟：风机模拟；“蒸发器箱体+暖风箱体＋空气分配箱”模拟。

从CATIA软件中做成适用与CFD计算的简化的几何体并保存为IGS文件格式，在Fluent的前处理软件Gambit生成封闭的几何体和网格（见图3）。

2.计算条件

（1）风机总成入口条件采用试验的方法得出，如表1所示。

（2）蒸发器芯体、暖风芯体的处理 蒸发器芯体、暖风芯体几何体复杂且不封闭，与壳体总成一起计算难度很大难以解决。为此，我们采用多孔介质模型替代蒸发器芯体、暖风芯体几何体。

（3）通过蒸发器芯体、暖风芯体阻力试验值（见图4）和理论计算蒸发器芯体、暖风芯体散热面积/整个截面积之比确定蒸发器芯体、暖风芯体的多孔介质系数。

（4）收敛精度为10-3。

（5）计算步骤 在CATIA软件中对箱体总成做适当简化，并做成封闭的几何实体，存为STL文件格式；在ICEM中做网格，网格是四面体，网格数110万，输出MSH文件；进入Fluent软件进行计算，进行连续相运算时，湍流模型选用的是标准的k-ε模型，入口用质量流量，出口用压力出口；监视收敛；存盘，做后处理。

3. 计算及试验结果

试验得出内循环风机送风量438m3/h，循环（去掉防尘网）风机送风量513m3/h，外循环风机送风量477m3/h。

换代货车箱体总成送风量如表2所示，结果如图5和图6所示。

4. 通过计算得出结果，如图7所示。

结果分析

1. 通过分析对比除霜状态出风口风速的试验值（见图5）与模拟计算值（见图7d），可发现二者趋势基本相同，试验结果与模拟结果吻合良好。

2. 分析箱体速度向量图（见图7a）、速度分布云图（见图7b）、速度向量分布图（见图7c）和静压分布云图（见图7e），发现在吹面出口处静压均匀变低。产生这一现象的原因是，在暖风除霜状态，除霜风门打开，吹面风门关闭，气流在此处发生旋流，属正常状态。

3. 通过对箱体横截面积的速度分布云图（见图7b）、速度向量分布图（见图7c）和静压分布云图（见图7e）的分析，发现空气从入口进入箱体后，速度、静压分布均匀，在截面A、B处发生突变，因此建议在A、B处进行结构更改，将使云图分布均匀，送风量加大，箱体总成性能提高。

图7  计算结果

结语

本文采用试验和CFD仿真分析相结合的方法对HVAC箱体进行研究，在汽车产品开发初期（如壳体的激光塑模阶段和正式件阶段）进行了多方案比较。在空调HVAC箱体总成开发过程中，我们在各个不同阶段（如壳体的激光塑模阶段和正式件阶段）进行了试验室验证，采用的试验方案、试验设备及处理软件是可靠的。但是试验室试验具有一定的局限性，在开发初期不能进行多方案比较，样件费用较高，且不能实现流场可视化。采用CFD模拟计算能够弥补试验的不足，实现了流场的可视化，在充分考虑结构整体相关性的前提下，提出试验的重点和方向，指导试验并提出结构改进方案反馈给设计师，保证了结构设计的合理性。

因此在产品开发阶段，采用CFD模拟技术与试验相结合的方法对产品进行分析，可以缩短开发周期，降低开发费用。