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【Climate】基于KULI的汽车空调系统性能仿真分析
2020-08-26 23:38:01· 来源：汽车CFD技术之家
摘要：利用一维仿真软件KULI 建立基于结构参数、单体性能参数以及试验数据的整车空调系统瞬态仿真分析模型，对某型汽车整车空调系统降温性能进行仿真分析，并利
摘要：利用一维仿真软件KULI 建立基于结构参数、单体性能参数以及试验数据的整车空调系统瞬态仿真分析模型，对某型汽车整车空调系统降温性能进行仿真分析，并利用其降温试验数据验证仿真模型的准确性。结果表明，各风口出风温度、乘员舱平均温度以及降温速率误差满足实际工程需求。
随着国内汽车市场的日趋成熟，市场环境对汽车空调系统的制冷效果、成本、能耗、布置空间等方面的要求越来越高，空调性能的精益化设计开发需求越来越迫切。各主机厂需要根据车辆使用环境、用户特殊需求以及竞品车水平精确定义车辆的空调降温目标、采暖目标和热舒适性目标。然后通过空调性能匹配分析将系统目标分解至零部件目标，完成关键零部件选型，并在空调系统开发过程中逐步评估设计变量及关联因素变动所引起的整车空调性能风险。因此空调系统匹配分析对于空调系统开发至关重要。
空调系统匹配分析主要包含理论计算匹配、试验匹配及一维空调仿真匹配3 种方法。理论计算匹配是在汽车发展的早期进行零部件性能目标分解的主要方法，它只能进行粗略的评估，无法精确评估耦合因素(如前端冷却模块的布置、空调控制策略等) 、不同环境、不同工况对空调效果的影响，结果存在很大的不确定性; 试验匹配包括搭建空调系统台架试验台和平台车(与被开发车型动力总成相同或高度近似的车型) 改车试验，能够充分考虑环境参数、整车工况等影响，但是试验匹配所需资源多、匹配成本高、试验周期长，已经无法满足当前整车开发需求; 一维空调仿真匹配可以结合参考车整车空调系统降温试验进行仿真对标，从而提升仿真精度，能够为整车开发各个阶段提供空调性能匹配分析支持，同时具备需求资源少、验证及优化的周期短、成本低等优点，逐步替代传统单纯的理论匹配计算或单纯试验匹配方法，成为目前主流的匹配方法。笔者利用KULI一维仿真软件对某型汽车整车空调系统降温性能进行试验标定及仿真分析。
1 空调系统模型建立
在仿真分析中，可以将空调系统抽象成制冷回路、空气回路以及2个回路之间的耦合，制冷回路中各零部件可以用传热传质描述其工作状态和性能。系统以及各元件之间的物理现象存在以下假设条件:
1)压缩机的工作特性是由压缩比、压缩机转速、压缩机排量和压缩机的吸气过热度共同决定的;
2)制冷剂在蒸发器及冷凝器内部做一维流动，流动状态仅沿管长方向变化，忽略轴向变化及重力影响;
3) 忽略蒸发器及冷凝器管壁热阻，忽略管壁在轴向的换热;
4) 流体在膨胀阀内绝热流动。
压缩机为空调系统的动力源，其将低温低压气态制冷剂压缩成高温高压制冷剂。根据压缩机模型及单体试验数据计算出不同转速及压比下的无量纲常数(等熵效率及容积效率等)，并将在不同转速及压比下的无量纲常数以MAP形式输入仿真软件，用于模拟压缩机性能。
冷凝器和蒸发器建模是基于换热器型式、流程设计、结构参数和宽运行工况下的性能试验数据进行拟合的方法实现。几何形状参数包括芯体长度、厚度、高度以及内部管路布置、翅片形状等。根据冷凝器/蒸发器单体性能试验环境(包括环境温度、风速、制冷剂流量、压力等)对模型的制冷量和压降进行校核，调节模型中的传热因子与摩擦因子，使冷凝器/蒸发器单体的模拟结果与试验结果一致，然后将校核后的冷凝器/蒸发器加入系统模型进行空调性能模拟。冷凝器/蒸发器空气侧的换热计算是采用相似原理，先将试验中的物理量无量纲化，再根据经验公式与无量纲系数计算实际值。空气侧换热量需要通过结构参数与试验数据相结合的方法进行计算。
Nu = c1 Ｒec2Prc3η (1)
式中: Nu 为空气侧的努塞尔数; Ｒe 为空气侧的雷诺数; Pr 为空气侧的普朗特数; η 为翅片效率; c1，c2和c3分别为由换热器单体性能试验数据计算的无量纲常数。换热器制冷剂侧分为单相区和两相区，制冷剂侧换热详见文献［1］。
2 主要零部件对标分析
2. 1 换热器标定
通过建立与冷凝器/蒸发器单体试验相同测试条件的一维模型对该部件进行单体性能标定。冷凝器/蒸发器性能检测在焓差试验室完成，冷凝器测试条件为环境温度38℃，制冷剂入口压力为1.2MPa±0.02 MPa，制冷剂入口过热度为25℃。蒸发器测试条件为环境温度38℃，膨胀阀入口压力为1.74MPa±0． 02MPa，膨胀阀入口过冷度为5℃±0.5℃。为降低标定及整车降温仿真误差，标定换热器时选取的试验工况点覆盖范围应尽量广泛并平均，本文换热器标定选取的工况点为风量及制冷剂流量最大点、风量及制冷剂流量最小点，另外中间平均选取2 个点，具体工作点如表1所示。
基于结构参数进行冷凝器/蒸发器建模，换热器具体参数如表2所示，并根据单体性能试验数据对其进行性能标定，空气侧状态参数以及制冷剂侧状态参数与试验值相同，标定目标为冷凝器空气侧出口及制冷剂侧出口状态参数与试验值误差在±5%内，蒸发器出口各状态量与试验误差在±10%内(蒸发器由于冷凝水析出原因导致一维仿真模型计算与试验结果误差较大) 。
换热器在各工况点下的压降、换热量的仿真与试验值的对标结果如图1～图4所示。
通过与冷凝器/蒸发器单体性能试验在4个工况点下对标，冷凝器制冷剂侧压降标定误差小于4%，换热量标定误差小于2%; 蒸发器制冷剂侧压降标定误差小于8%，制冷量标定误差小于4%，因此冷凝器/蒸发器单体性能标定误差满足工程应用要求。
2. 2 风管风量分配及传热性能标定
根据平台车空调箱体各风口风量分配比例及风管传热性能进行风管内阻和传热属性标定。笔者根据某型汽车平台车空调箱体风量分配计算结果和整车空调系统降温试验数据进行标定，空调箱体总风量为468m3/h (对应风机最高档位7
档)，风口为前排吹面4个分口及后排总风口，各风口风量配比约为13:12:12:14:10。高温环境下空调箱体与所处环境之间存在热交换，由于箱体、风管和风口的装配误差导致的漏风损失是造成汽车空调冷量损失的主要原因，通常通过增加保温措施及提高零部件之间的密封以最大限度降低箱体传热及漏风损失。标定过程中根据平台车整车降温试验数据，对箱体(含风管) 与箱体外部空气环境的传热系数进行标定，标定模型如图5所示。
各风口风量及传热性能标定具体结果见图6和图7，左风口为主驾左吹面风口，中左风口为主驾右吹面风口，中右风口为副驾左吹面风口，右风口为副驾右吹面风口。由图可知，各风口风量标定误差小于1.5%，风口温度标定误差小于0.5℃，标定误差满足工程应用要求。
3 空调系统仿真与试验验证
根据建模原理和对标后的换热器及箱体模型，建立与整车试验相吻合的空调系统模型，仿真模型中乘员舱采用简易模型，其中乘员舱光照强度1000W/m2，乘员2人。风机风量设置为7档，仿真工况与整车降温试验工况一致，如表3所示。
在车辆实际运行过程中，格栅正对前端冷却模块位置、模块间隙漏风及风机旋转等造成冷凝器进风侧风速分布不均匀，而气流分布将影响冷凝器内制冷剂冷却情况［4］。因此，在整车空调系统降温分析中，为更贴合实际运行状态，在前端冷却模块增加风速分布矩阵。笔者通过三维机舱流场分析得出前端冷却模块风速分布矩阵并导入一维空调模型，风速分布矩阵如图8所示。
表4所示为不同工况下乘员面部平均温度、降温速度的仿真与试验结果，图9所示为乘员面部平均温度曲线。由对比结果可知，仿真计算可以较好地模拟整车空调系统降温的过程，精度满足工程开发要求。图10所示为各风口温度的仿真值，经过试验标定后，各风口温度的仿真值可以反映不同风口温度的差异。
图11所示为左风口出风温度试验与仿真结果对比。
4 空调系统降温性能仿真分析
4. 1 箱体风量对整车空调系统降温性能的影响
整车空调系统模型建立和标定以后用途很多，可以用于多种场合，评估不同因素对空调降温性能的影响，比如评估箱体风量变化对整车降温性能的影响。
空调送风噪声是除了空调热舒适性以外的另外一个重要关注点，而风机在最大风量下运行时，虽然能够迅速起到降低乘员舱内温度的作用，但随之产生的噪声在长时间开车时给驾乘人员非常不舒适的感受，因此需要评估中低档风量
情况下的整车降温性能。笔者对原空调系统在中档风量情况下进行了整车降温仿真分析。将风量设置为第5档，此时对应空调箱体送风量为400m3/h。
仿真结果如图12所示，送风量降低导致送入乘员舱的单位时间冷量减小，造成在相同乘员舱热负荷情况下舱内平均温度升高及降温速度变慢。5档风量与7档风量的空调系统降温效果的对比如表5所示。
4. 2 冷却模块布置对整车空调系统降温性能的影响
当今汽车冷却模块越来越复杂，越来越多的车型采用三层甚至更多层的冷却模块布置方案。比如对增压发动机，可能会在冷凝器前布置空-空中冷器; 混合动力车型可能会在冷凝器前布置电机散热器或电池散热器; 转向系统需散热的部分车型会在冷凝器前布置转向散热器等。这种在冷凝器前增加换热器的布置方式将使冷凝器的换热效率降低，从而降低整个空调系统降温性能，需要在设计前期评估影响程度。笔者基于某车型的空调系统，在冷凝器前增加一个热源模型A模拟换热器，热源模型A的发热功率为固定值(6kW)。热源模型A顶部与冷凝器顶部齐平，高度为冷凝器高度的30%，如图13所示。
图14所示为冷凝器前增加热源模型A后，与原冷却模块方案的乘员面部平均温度对比。计算结果表明，在冷凝器前增加热源后，乘员面部平均温度在行车工况(前4500s)下平均升高2℃，怠速工况(4500s以后)下平均升高3.2℃。冷凝器
散热恶化导致行车工况下系统高压平均升高0.35MPa，怠速工况下平均升高0.63MPa，压缩机功耗增大，系统能效比降低。
5 结论
利用KULI一维仿真分析软件对某型汽车空调系统降温性能进行了仿真分析与试验对比，得出以下结论:
1)仿真模型的建立、标定以及模型的适用性界定非常重要。利用单体结构参数和单体性能试验数据建立换热器仿真模型并进行对标，可最大程度降低由于零部件建模所导致的误差，为空调系统仿真提供指导。
2)整车降温试验结果与仿真结果的对标，表明通过一维仿真软件对空调系统的模拟可以满足实际工程要求。
3)利用仿真软件(KULI)可以进行多设计方案的论证选择以及零部件设计参数的敏感性分析，可实现空调换热器单体性能目标的分解以及关联因素对整车降温性能的影响评估，对汽车空调系统的开发很有帮助。
作者：张风利 阎志刚 杨勤超
比亚迪汽车工业有限公司
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