某乘用车空调系统配气比及气动噪声分析优化

摘要：空调系统设计与布置合理与否直接影响乘员舱内舒适性。空调系统设计要求配气比必须满足标准要求，而且风道的气动噪声必须控制在合理的范围内。本文通过对某乘用车空调系统原方案进行配气比及气动噪声分析，对空调系统风管内流场分布以及气动噪声源产生与传播进行了详细分析，从而提出两种优化方案。通过配气比及噪声试验，3#优化方案满足配气比标准要求，并且驾驶员右耳处噪声较原方案降低3.7dB,效果显著。

关键词：汽车空调系统；计算流体动力学（CFD）；计算气动声学（CAA）

中图分类号：U463.85+1文献标志码：A文章编号：1005-2550（2012）05-0041-06

Analysis and Optimization on Air Flow Distribution and Aeroacoustic for Air-Conditioning System of a Passenger Vehicle

WANG Xiao-bi，WANG Wei-ming，GUO Jun-chao，SHI Jian-peng

（The Technology Center of Dongfeng Motor Corporation,Wuhan 430056,China）

Abstract: The design and pipe routing of air duct affects the cabin comfortablility directly. The airflow distribution of air-conditioning system should be satisfied with design requirement.And airflow noise in duct should be controlled within the range of standard during duct design. According to the analysis of flow field and acoustic field, tow improvement schemes were proposed. Airflow distribution and noise of air condition system were tested on the basis of prototype and improvement model. The test results have shown that the 3# improvement scheme is effective in reducing the air condition system noise compared with the prototype model and can meet the airflow distribution design requirement. In particular, the noise is significantly reduced near the driver"s right ear, the largest declines by up to 3.7dB.

Key words: air-conditioning system；computational fluid ddynamics（CFD）；computational aeroacoustics（CAA）

随着汽车工业发展及乘用车开发水平的提高，降低乘员舱的气动噪声、提高乘员的舒适性，改善对环境的影响，是开发新型乘用车面临的重要课题。空调系统配气比直接影响乘员舱均匀降温性能和舒适性，合理的配气比可以提高乘员舱内的舒适度。乘员舱的车内噪声已成为重要的舒适性评价指标。其中，空调系统的气动噪声在车内噪声中占有很大的比例，气动噪声与空调风道的布置及结构等有关,风管尺寸、流动方向的突变、局部尖角或圆角等局部结构特征对其影响都很大。

传统空调系统设计主要采用的是经验设计方法，然后通过试验对空调系统性能进行考察，设计周期长，试验费用高，且难于找到影响空调性能的主要因素。CFD、CAA技术在汽车空调系统设计中的应用，可以明确研究方向，缩短研制周期，减少反复试验噪声的浪费。

1空调系统原方案配气比及气动噪声分析

1.1空调系统原方案存在问题

对某乘用车空调系统（包括空调HVAC总成、通风管道和仪表板等）进行的配气比和噪声测量试验，如图1所示，配气比不满足东风汽车公司标准，而且通过与竞品车型对比分析，如图2所示，原方案空调系统噪声偏大，需要进行改进。

由于空调系统HVAC总成无法进行更改，所以必须对空调系统风管进行分析优化，使得空调系统配气比达到要求，系统噪声降低。

1.2空调系统原方案配气比仿真分析

1.2.1CFD仿真模型

由于风机相对于整个空气流道而言是一个独立的部分，因此没有考虑风机部分，仅讨论从风机出口到仪表板送风口的部分。为了对风道内的空气流动进行计算，对模型做如下简化：①风道系统密封良好，除进风口和出风口外没有空气泄露；②空气为不可压缩流体，密度为常数；③吹脚风门和除霜风门关闭，只有仪表板送风口开启。

图3为空调系统原方案的三种模型：初始风管、初始风管+空气滤芯+蒸发器、初始风管+空气滤芯+蒸发器+格栅。分别对三种模型进行CFD分析。

整个模型在格栅、风管拐角等对气流影响较大的部分区域进行了网格细化。空气滤芯和蒸发器通常都和全局坐标系有一定的倾角，为了生成高质量的网格，使用STARCCM+中工具在这两处生成局部坐标系。生成Trimmer网格，网格总数为500万左右，如图4所示。

计算工况冷风吹面（ATF）、内循环、最大风量；入口流量为500 kg/h，出口为压力出口，压力为0 Pa。分别对三种方案进行分析。

1.2.2仿真结果分析

空调系统配气比分析目的：

（1）考核各出风口风量配气比是否满足标准要求；

（2）对流态角度判断，空调系统风管是否设计合理。

通过与试验结果进行对比，如图5所示，发现方案Ⅲ与试验结果最为接近，误差在3%以内，验证了空调系统配气比分析方法的正确性。同时，后续优化分析在3#方案的模型上展开工作。

通过对流场分析，如图6所示，可以得出空调系统原方案风管存在以下问题：

（1）此处风管弯角过大，局部流速过大，而且出口风速分布很不均匀；

（2）此处直角造成风管局部涡流；

（3）此处直角造成风管局部涡流，并且局部流速偏大；

（4）此处风管弯角过大，造成出风口风速分布不均匀；

（5）此处弯角过渡偏大，造成局部流速达到43.4 m/s，而且局部有涡流。

综上所述，空调系统原方案配气比不满足标准要求，主要由于空调系统风管布置问题，直角拐角过多，风管内局部涡流过多，造成右风管流阻大，右风管配气比偏小，左风管配气比偏大。

1.3空调系统原方案风管气动噪声分析

HVAC系统的风噪与风道的外形和布置有着直接的关系，风道尺寸与方向的突变以及内部局部结构对气动噪声有非常大的影响。通过仿真预测某空调风管产生的气动噪声，并通过结果处理得到气动噪声的主要来源和位置，可以为风管外形设计提供参考意见。

1.3.1气动噪声研究理论基础

气动噪声是由气体的非稳定过程，或者说是气体的扰动、气体与物体的相互作用而产生。根据莱特希尔(Lighthill)流体声学理论，流场中的理想化声源模型可认为由三种线性声学中的典型声源-单极子声源 (Monopole Source)、偶极子声源(Dipole Source)和四极子声源(Quadrupole Source)组成。

流场中实际存在的声源为以上各种声源的集合体，其中大部分是偶极子和四极子声源的集合体。通过对以上三种声源作比较可以发现:单极子、偶极子和四极子的总声功率分别与流速的四次方、六次方和八次方成正比。由此可见，随着流速的增大，气动噪声的声功率将急剧升高。对于主要的气动噪声源，降低该处流速将是最直接的降噪手段。

在汽车空调系统管道气动噪声分析中，空调管道内表面可看作是刚性的，所以单极子噪声可以近似为零，而且空调风管内部气流速度低，四极子声源远小于偶极子声源，可忽略不计，因此对空调风管管道的气动噪声研究主要是针对偶极子噪声源的特性。

1.3.2空调系统风管气动噪声分析总体思路

通过耦合CFD软件STARCCM+与专业声学软件LMS Virtual. Lab Acoustic 来求解空调系统管道气动噪声。在CFD计算中，对空调管道的瞬态流场进行求解并输出偶极子噪声源项，然后将噪声的源项导入到LMS Virtual. Lab Acoustic来计算噪声的传播；应用CFD和Virtual. Lab的计算结果，对风管设计优化提供参考意见。具体的仿真流程如图7所示。

1.3.3气动噪声分析结果

在Virtual.Lab进行的声学计算中，可以得到的数据包括风管内壁面上的压力频谱、声场云图以及某些测点上的声压频谱。我们对三个风管分别进行了计算，图8为左风管声场云图示意图。对测点（驾驶员右耳）上的声压频谱，我们可以将各个风管的贡献叠加起来。

最后得到总的频谱曲线如图9所示。三个风管叠加后，在测点产生峰值的频率在400 Hz，对应的幅值在60 dB（A）左右。并与试验结果图10进行对比表明，在300～400 Hz之间计算值和试验值峰值是对应的，验证了分析方法有效性。

通过分析，验证了空调系统气动噪声分析方法的正确性。这样就可以对三个风管单独的计算结果相比较，如图11～图13所示。发现在400 Hz频率下产生的噪声主要来自于左风管，这样就可重点对左风管处的结构进行优化降低噪声。

2优化风管配气比及气动噪声分析与试验

2.1风管优化方案说明

通过对空调系统原方案配气比及气动噪声分析，确定风管优化的方向：

（1）改进空调系统结构，减少风管转弯，保证风管内部涡流减少，出风口风速分布均匀；

（2）在保证配气比满足要求的情况下，增大右风管与中风管截面面积。

通过与车身空调系统和车身仪表板系统工程师进行沟通，对空调系统风管做了如图14所示更改。

优化方案主要是对左、右、中风管进行管径增大，对转弯圆角过渡加大，并对中风管中间隔板进行调节，使得中间风管的两个出口风量尽可能的达到标准要求水平。

2#方案与3#方案不同之处在于，2#方案风管局部区域与仪表板横梁距离过近，超过了设计要求，而且在后续分析过程中，发现2#方案中风管一个出风口风量分配达不到标准要求，所以3#方案对2#方案进行了局部优化，满足了工艺要求，并对中风管中间隔板进行了调整，使中风管两个出风口风量达到标准要求。

2.2优化方案配气比分析及试验

按照上节确立的配气比分析方法，对2#及3#优化方案进行了仿真分析，网格模型划分以及边界条件的设定都与1#原方案的分析保持一致，计算工况冷风吹面（ATF）、内循环、最大风量；入口流量为500 kg/h，出口为压力出口，压力为0 Pa。

如图15、16所示，为2#和3#优化方案流场分析结果。从图中可以看出2#风管内部最高风速由原方案43.4 m/s降低到28.7 m/s，3#风管内部最高风速由原方案43.4m/s降低到30m/s，比2#方案略大，大大降低了风管内部最高风速，有利于气动噪声的降低。而且从图中可以看出，通过优化，中风管内部和右风管内部的涡流区域减少，这也有利于气动噪声的降低。

2#方案较3#方案有局部改动，空调系统内最高流速3#略大于2#方案，3#方案气动噪声可能大于2#方案。

对2#、3#优化方案的配气比也进行了分析及试验。从图17和图18可以看出，2#优化方案配气比较原方案有了很大的改进，右中风管配气比比标准要求略微低，而3#优化方案满足标准要求。通过仿真与试验的对比，进一步验证了分析方法正确性。

2.3优化方案气动噪声分析及噪声试验

2.3.1优化方案气动噪声分析

图19为优化方案与1#原方案噪声分析对比，从图中可以看出3#方案噪声峰值与2#方案基本一致，较1#方案降低了6 dB左右，效果非常显著。但是在分析中，由于没有考虑空调风机、发动机等噪声，效果可能不会有这么大。

2.3.2优化方案整车噪声试验

试验方法：测量主驾驶员、副驾驶员左右耳旁噪声，各个风口处噪声（测点布置于风口处，距离风口15cm）相关试验布点如图20、图21所示。

试验工况为：发动机怠速，空调制冷，风机开，外循环吹面模式，风量最大。

2.3.3噪声试验结果

对优化后噪声试验结果与原方案进行对比分析时，由于优化方案管径变大，转弯弯角加大，减少了风管流阻，从而导致系统阻力降低，所以需要调节试验（风机电压）参数，使得优化后方案的空调风量与原方案一致。

对3种方案在同等风量的情况下进行噪声试验，并对噪声进行对比，如图22所示：

从图22可以看出，3 #优化方案噪声相对于2#方案略大，比1#原方案降低了3.7dB以上，效果显著，同时也验证了气动噪声分析方法的正确性。

3结论

通过对某乘用车空调系统进行配气比与气动噪声分析与试验研究，得出以下结论：

（1）通过数值计算的手段，可以对空调系统内部流场进行详细描述，并对空调风管气动噪声产生与传播进行了阐述，对空调系统配气比及气动噪声优化提供了指导；

（2）优化了空调系统配气比及气动噪声，使得配气比达到标准要求，空调系统噪声降低了3.7dB，效果显著；

（3）通过该项目，建立了空调系统配气比分析及气动噪声分析方法，并通过了试验验证，对加快设计，减少试验次数和费用有很大的意义。

参考文献：

［1］ 程勉宏,刘刚.汽车空调风道设计对车内噪声的影响［J］. 沈阳航空工业学院学报，2005，8.

［2］ 祁照岗，陈江平，胡伟.汽车空调风道系统CFD研究与优化［J］.汽车工程，2005,1.

［3］ R.Ambs，A.Ayar，C.Capellmann etc.Computational Aeroacoustics and the Development of Climate Control Systems[J]. VDI-Berichte Nr,2004(1846).

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