汽车乘员舱吹脚性能分析及优化

张骞,王浩,王大健.汽车乘员舱吹脚性能分析及优化[J].汽车电器,2023(12):68-69+71.

摘 要

目前由于汽车市场的竞争越来越激烈，各大车企对车辆的乘员舱舒适性越来越重视，乘员舱舒适性更能直观地表现出驾乘人员对车辆性能的评价，所以如何提高乘员舱舒适性也是各大主机厂不断研究的课题。文章着重研究空调箱采暖工况下主副驾吹脚性能的优化，目的是为了提升主副驾脚部的风速均匀性、温度均匀性。

1 引言

目前，由于汽车市场的竞争越来越激烈，各大主机厂对汽车性能的每个点都要求非常严格，之前没那么重要的性能现在都开始着重研究及优化。电动汽车具有可实现节能减排的特点，受到国际汽车行业的普遍重视，近年来得到了快速发展，但是，电动汽车在冬季使用过程中 （尤其在寒冷或严寒地区），采暖问题对其发展具有一定的制约性。随着热泵技术的成熟与普及，新能源汽车的采暖性能被大大提高，同时也提升了新能源汽车的行驶里程。可光是提升总的行驶里程是不能满足使用需求的，市场已对汽车空调采暖性能提出了新的要求，即在有限的能量范围内，提高吹脚性能暖风利用率，提升空调箱吹脚性能的效率。所以，本文着重通过CFD仿真分析，不断优化吹脚风道，提高乘员舱主副驾吹脚性能。

本文以某款新开发的新能源汽车空调箱为研究基础，空调吹脚性能目标要求主要有以下几点，其中，吹脚性能都按单脚风道360×22%m3/h的总风量分析。

1） 风道风阻：＜80Pa。

2） 前排吹脚风道的导向性及风速覆盖率：主副驾脚部吹风落点为脚踝，脚面风速≥3m/s的覆盖面积≥60%；主副驾腿部吹风落点为脚踝到膝盖之间，从下往上三分之一处，风速达到2m/s，覆盖面积≥10%。

3） 吹脚风口风量分配：主驾 （L1+L11）∶L2（∶ L3+L31）=60%∶10%∶30%；副驾（R1+R11）∶R2（∶ R3+R31）=50%∶10%∶40%。吹脚风道各风口示意如图1所示。 

4） 吹脚出风口风速：4~7m/s。

5） 风道内最高风速：NVH要求≤12m/s，最大不超过15m/s。

2 仿真分析

CFD仿真模型如图2所示，由于缺少主机厂提供的乘员舱数据，CFD简化左右2个Box代替乘员舱数据，仿真模型必须带空调箱数模进行分析，否则进入前吹脚风道的流场信息与实际存在差异，影响分析结果。

3 仿真结果

由于Starccm+软件分析的壁面速度都为0，故脚面风速都采用近壁面风速代替。因近壁面风速受到边界层厚度及层数的影响非常大，所以假人脚面边界层设置显得非常重要，首先对比一下假人脚面不同边界层设置的结果。

图3仿真模型假人脚面边界层设置为：3层，1.2增长率，3mm厚度；图4仿真模型假人脚面边界层设置为：1层，1.5增长率，2mm厚度。从Starccm+原理得知，近壁面风速即为第1层边界层中心点风速，所以图3是脚面0.4mm处风速，图4是脚面1mm处风速。根据以往实测结果对标分析，1mm处近壁面风速与实际风速更吻合，所以本次接下来仿真模式设置假人脚面边界层都采用1层，2mm厚度。基础模型仿真结果如下。

1） 风道风阻：主驾为63Pa；副驾为70Pa。

2） 前排吹脚风道的导向性及风速覆盖率：主驾左脚为30%，主驾右脚为32%；副驾左脚为72%，副驾右脚为35%。

3） 主副驾腿部：主驾左腿为2%，主驾右腿为3%；副驾左腿为20%，副驾右腿为25%。

4） 吹脚风口风量分配：主驾 （L1+L11）∶L2（∶ L3+L31）=56%∶8%∶36%；副驾（R1+R11）∶R2（∶ R3+R31）=43%∶12%∶45%。 

5） 吹脚出风口风速：主驾为6.7m/s，副驾为6.4m/s。

6） 风道内最高风速：主驾为13.5m/s，副驾为13.1m/s。 

从仿真结果可以看出，除了脚面风速覆盖率，其他基本满足目标要求，然而脚面风速覆盖率也是最难优化的。

4 风道优化

假人脚面风速落点处示意如图5所示，图5中黑圈处即为风速落点处位置，可以通过调整风道的角度来调整落点的位置，以便增大脚面风速覆盖率。

从假人脚面切面速度云图可以看出，主驾左脚、副驾右脚的风速明显偏外侧，外侧风量富余较大，所以优化方向应该将风口导向向脚面内侧移动，如图6中黑色箭头示意的方向。优化后分析结果如下。

1） 风道风阻：主驾为66Pa；副驾为72Pa。

2） 前排吹脚风道的导向性及风速覆盖率：主驾左脚为85%，主驾右脚为80%；副驾左脚为78%，副驾右脚为83%。

3） 主副驾腿部：主驾左腿为40%，主驾右腿为15%；副驾左腿为18%，副驾右腿为21%。

4） 吹脚风口风量分配：主驾 （L1+L11）∶L2（∶ L3+L31）=59%∶9%∶32%；副驾（R1+R11）∶R2（∶ R3+R31）=47%∶11%∶42%。

5） 吹脚出风口风速：主驾为6.5m/s，副驾为6.6m/s。 

6） 风道内最高风速：主驾为13.6m/s，副驾为13.3m/s。 

调整风道各风口角度后，吹脚各项性能基本满足目标要求。从图7速度云图可以看出，假人脚面风速均匀性非常好，脚面风速大于3m/s风速面积基本达到了80%，大大提高了采暖利用率，在采暖阶段，能够快速提升驾乘人员的脚部温度。

在优化好假人脚面风速覆盖率及各项流场性能后，需要进一步进行温度场分析，分析假人脚面温度场是否满足设计要求及主观性能评价.

5 温度场分析

进行温度场分析时，要确认好分析工况与分析要求一致，以及入口温度、环境温度等，由于风道的导热系数未知，本次温度场仿真未考虑风道与环境的换热，所以仿真结果会偏高于试验结果。

从图8可以看出，主驾左右脚面温度分布基本均匀，右脚温度略高于左脚，脚尖温度略低于脚面温度，总体来说主驾脚面的温度均匀性较好，满足目标要求。因主驾右脚活动范围较大，今后将结合实车感受确定是否需要对吹脚风道进行局部优化，同步采集脚面温度实测值，对比仿真精度。

6 结论

本文通过对乘用车吹脚风道进行优化，改善了驾乘人员脚部流场，使得吹脚各项性能满足目标要求，最直观的体现就是改善了驾乘人员的主观感受，使得驾乘人员在驾驶车辆时脚部的风速、温度都非常舒适。一个好的吹脚性能，间接影响了整车的能源利用率，在冬季采暖工况下，可以在一个较小风量下，达到一个舒适的脚部温度，而不是一味地通过增大风量来提升脚部温度。所以对于新能源汽车来说，一个好的吹脚性能至关重要，它不仅影响了驾乘人员的主观感受，更能间接影响整车能源的利用率，对提升整车行驶里程有着重大意义。