某电动汽车空调机组的仿真分析

摘要：电动汽车空调系统的运行需要消耗整车的电能，因此空调机组的性能显得尤为重要。为提升电动汽车空调机组性能，运用计算流体力学仿真方法开展电动汽车空调机组性能分析，采用商用 CFD 软件 ANSYS Fluent 进行空调机组三维流场仿真计算，结合空调机组换热器试验结果，仿真与试验结果误差在 6%以内。分析结果表明，仿真结果与试验结果误差在合理范围之内，可以为改善空调机组性能、降低汽车能耗提供理论依据。

近年来，随着国家对车辆环保性和乘客对汽车空调舒适性要求的日益提高，新能源汽车得到极大发展和推广。电动汽车由于受到续航里程限制，对能耗要求比较苛刻，而空调作为电动汽车的主要能耗系统，其能否高效节能是电动汽车开发过程中必须考虑的问题。空调机组是汽车空调的重要组成部分，其空气侧气流分布均匀性是影响性能的重要因素之一[1-2]。计算流体动力学（CFD）仿真技术在工业领域的应用得到越来越多的认可。它是伴随着计算机技术和数值计算技术的发展而发展，利用计算机求解流体的各种守恒控制偏微分方程组的技术[3-7]。基于以上问题，文章提出使用 CFD 仿真方法对某电动汽车空调机组性能进行分析。



1 流体力学方程

计算流体动力学（CFD）是把描述空气运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程组，并在计算机上求解。通过微分方程的离散化和代数化，把偏微分方程转化为代数方程，再通过适当的数值计算方法求解方程组，得到流场的数值解，然后通过不同的拟合方法把节点解拟合到网格的对应区域。

流体流动时所有介质满足物理守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。在流体流动处于湍流状态时，整个体系还要遵循湍流运输方程。以上这些守恒定律的数学描述，统称为控制方程。文章选用

CFD 软件中提供的 Realizable k- ε湍流模型进行数值计算。

湍流控制方程为三维不可压缩雷诺时均Navier- Stokes 方程。




2 模型建立及边界条件

2.1 三维模型建立

计算模型为某电动汽车空调机组，采用 SolidWorks 软件建立其三维模型，如图 1 所示。几何模型生成后，为了建立有限元模型，需要将空调机组模型从 Solid-Works 中导出为.stp 格式。


图1 某电动汽车空调机组三维模型

2.2 网格模型建立

针对该空调机组，文章采用 ANSYS 仿真平台 CFD 专业前处理软件 ICEM CFD 进行几何清理和网格划分。面网格全部采用三角形网格，为获得空调机组计算域入口处更好的计算收敛性，在其入口边界进行外部拉伸，拉伸长度为入口直径的 3 倍。电动汽车空调机组流体计算域模型及机组网格模型，分别如图 2 和图 3 所示，最终形成四面体网格非结构化数为 6 145 895。


图2 某电动汽车空调机组流体计算域模型


图3 某电动汽车空调机组网格模型

图 4 示出电动汽车空调机组模型网格检查情况，其中横坐标数值越大代表网格质量越好。从图 4 中可以看出，空调机组模型网格质量都在 0.35 以上，网格质量较好，满足计算要求。


图4 某电动汽车空调机组模型网格质量

2.3 边界条件的设定

由于电动汽车一般的工作环境温度在 - 20~40 ℃ 范围内，空气的物理参数随温度变化范围不大，因此对该车空调机组内部流动情况的研究，仅考虑流场内空气的流动特性，对温度场的变化情况暂做忽略，计算流动工质为空气，空气体积质量为 1.18 kg/m3。具体设置如下：

1. 总体设置：流体为空气，不考虑能量转化，仅作流场分析。计算软件为大型 CFD 商用软件 ANSYS Fluent，采用稳态计算，湍流模型选择 Realizable k- ε 模型，进出口边界条件选择流量进口、压力出口风扇 fan，换热器采用多孔介质模型，风扇采用二维模型。压力速度耦合采用 SIMPLEC 算法，离散格式采用 2 阶迎风格式。

2. 进口边界条件湍流定义方法为湍流强度 + 水力直径，流量进口流速设置为 6 500 m3/h，湍流强度为 5%，水力直径为 0.221 m；出口边界条件湍流定义方法也为湍流强度 + 水力直径，出口压力为 140 Pa，湍流强

度为 5%，水力直径为 0.354 m。

3. 换热器作为多孔介质模型，需要通过换热器的流速和压降关系计算多孔介质模型的惯性阻力系数和粘性阻力系数。在 CFD 软件中，多孔介质的压降公式表示为：



根据表 1 得到换热器风速-压损曲线（如图 5 所示），并拟合多项式。根据二次多项式前的系数和相关公式计算出多孔介质模型的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别为 14.364 kg/m·2 s 和 0.448 kg/m3。


图 5 某电动汽车换热器风速-压损曲线

3 计算结果分析

3.1 仿真计算结果

图 6 示出空调机组内部气流的流线图。从图 6 中可以看出，机组内部流线不存在间断的现象，说明机组内部空气流动比较顺畅，不存在速度死区。


图 6 某电动汽车空调机组内部空气流线图显示界面

图 7 和图 8 分别示出空调机组在中心切面前

0.6 m 处纵向截面的速度矢量图和速度等值云图。


图 7 空调机组在中心切面前 0.6 m 处纵向截面速度矢量图显示界面


图 8 空调机组在中心切面前 0.6 m 处纵向截面速度等值图显示界面

从图 8 中可以看出，在换热器左、右 2 个边角区域存在低速区，速度为 0.98 ~1.98 m/s；在左边换热器左下侧和右边换热器右下侧区域由于存在挡板，气流在该区域会形成回流，回流与空调机组顶部进风相遇，导致风速抵消，会在换热器上方区域形成低速区。

图 9 示出换热器表面速度分布云图。从图 9 中可以看出，换热器进口表面速度分布并不均匀，上侧部分速度较高，下侧部分速度较低。


图 9 某电动汽车换热器表面速度分布云图显示界面

图 10 和图 11 分别示出空调机组在中心切面前方 0.6 m 处纵向截面的压力等值云图和换热器表面压力分布云图。


图 10 空调机组在中心切面前 0.6 m 处纵向截面压力等值图显示界面


图 11 换热器表面压力分布云图显示界面

从图 10 中可以看出，空调机组内压力分布与速度分布相互对应，换热器左、右 2 个边角区域压力较大，存在一定的气流缓速区；从图 11 中也可以看出，换热器进口表面压力分布不均匀，与速度分布相对应，即在速度高的区域压力低，速度低的区域压力较高。

3.2 仿真计算与试验结果对比

在带有环境的风洞中进行该电动汽车空调机组的环境试验。表 2 示出换热器仿真与试验结果对比。

表2 某电动汽车空调机组仿真与试验对比


从表 2 中可以看出，各项的仿真结果与试验结果的误差都在 6%以内，满足工程分析精度需求，因此可以利用 CFD 仿真结果对后续设计优化提供方案优化选型等技术支持。

4 结论

利用 CFD 仿真技术对某电动汽车空调机组进行分析，并将换热器表面速度与压差计算结果与试验结果进行对比，证明 CFD 仿真分析的工程精度可行性；通过对额定风量工况下的空调机组进行 CFD 分析，找出气流对空调机组性能的影响位置，在后续空调机组设计过程中需要考虑优化。在下一步电动汽车空调机组开发中，建议在设计方案定型前，进行各工况充分的仿真分析验证，有效提升空调机组性能，降低电动汽车能耗，在提高其续航里程的同时，有效提高产品竞争力。