張騫,王浩,王大健.汽車乘員艙吹腳性能分析及優(yōu)化[J].汽車電器,2023(12):68-69+71.

摘 要

目前由于汽車市場的競爭越來越激烈，各大車企對車輛的乘員艙舒適性越來越重視，乘員艙舒適性更能直觀地表現(xiàn)出駕乘人員對車輛性能的評價，所以如何提高乘員艙舒適性也是各大主機廠不斷研究的課題。文章著重研究空調(diào)箱采暖工況下主副駕吹腳性能的優(yōu)化，目的是為了提升主副駕腳部的風速均勻性、溫度均勻性。

1 引言

目前，由于汽車市場的競爭越來越激烈，各大主機廠對汽車性能的每個點都要求非常嚴格，之前沒那么重要的性能現(xiàn)在都開始著重研究及優(yōu)化。電動汽車具有可實現(xiàn)節(jié)能減排的特點，受到國際汽車行業(yè)的普遍重視，近年來得到了快速發(fā)展，但是，電動汽車在冬季使用過程中 （尤其在寒冷或嚴寒地區(qū)），采暖問題對其發(fā)展具有一定的制約性。隨著熱泵技術(shù)的成熟與普及，新能源汽車的采暖性能被大大提高，同時也提升了新能源汽車的行駛里程?？晒馐翘嵘偟男旭偫锍淌遣荒軡M足使用需求的，市場已對汽車空調(diào)采暖性能提出了新的要求，即在有限的能量范圍內(nèi)，提高吹腳性能暖風利用率，提升空調(diào)箱吹腳性能的效率。所以，本文著重通過CFD仿真分析，不斷優(yōu)化吹腳風道，提高乘員艙主副駕吹腳性能。

本文以某款新開發(fā)的新能源汽車空調(diào)箱為研究基礎(chǔ)，空調(diào)吹腳性能目標要求主要有以下幾點，其中，吹腳性能都按單腳風道360×22%m3/h的總風量分析。

1） 風道風阻：＜80Pa。

2） 前排吹腳風道的導向性及風速覆蓋率：主副駕腳部吹風落點為腳踝，腳面風速≥3m/s的覆蓋面積≥60%；主副駕腿部吹風落點為腳踝到膝蓋之間，從下往上三分之一處，風速達到2m/s，覆蓋面積≥10%。

3） 吹腳風口風量分配：主駕 （L1+L11）∶L2（∶ L3+L31）=60%∶10%∶30%；副駕（R1+R11）∶R2（∶ R3+R31）=50%∶10%∶40%。吹腳風道各風口示意如圖1所示。 

4） 吹腳出風口風速：4~7m/s。

5） 風道內(nèi)最高風速：NVH要求≤12m/s，最大不超過15m/s。

2 仿真分析

CFD仿真模型如圖2所示，由于缺少主機廠提供的乘員艙數(shù)據(jù)，CFD簡化左右2個Box代替乘員艙數(shù)據(jù)，仿真模型必須帶空調(diào)箱數(shù)模進行分析，否則進入前吹腳風道的流場信息與實際存在差異，影響分析結(jié)果。

3 仿真結(jié)果

由于Starccm+軟件分析的壁面速度都為0，故腳面風速都采用近壁面風速代替。因近壁面風速受到邊界層厚度及層數(shù)的影響非常大，所以假人腳面邊界層設(shè)置顯得非常重要，首先對比一下假人腳面不同邊界層設(shè)置的結(jié)果。

圖3仿真模型假人腳面邊界層設(shè)置為：3層，1.2增長率，3mm厚度；圖4仿真模型假人腳面邊界層設(shè)置為：1層，1.5增長率，2mm厚度。從Starccm+原理得知，近壁面風速即為第1層邊界層中心點風速，所以圖3是腳面0.4mm處風速，圖4是腳面1mm處風速。根據(jù)以往實測結(jié)果對標分析，1mm處近壁面風速與實際風速更吻合，所以本次接下來仿真模式設(shè)置假人腳面邊界層都采用1層，2mm厚度。基礎(chǔ)模型仿真結(jié)果如下。

1） 風道風阻：主駕為63Pa；副駕為70Pa。

2） 前排吹腳風道的導向性及風速覆蓋率：主駕左腳為30%，主駕右腳為32%；副駕左腳為72%，副駕右腳為35%。

3） 主副駕腿部：主駕左腿為2%，主駕右腿為3%；副駕左腿為20%，副駕右腿為25%。

4） 吹腳風口風量分配：主駕 （L1+L11）∶L2（∶ L3+L31）=56%∶8%∶36%；副駕（R1+R11）∶R2（∶ R3+R31）=43%∶12%∶45%。 

5） 吹腳出風口風速：主駕為6.7m/s，副駕為6.4m/s。

6） 風道內(nèi)最高風速：主駕為13.5m/s，副駕為13.1m/s。 

從仿真結(jié)果可以看出，除了腳面風速覆蓋率，其他基本滿足目標要求，然而腳面風速覆蓋率也是最難優(yōu)化的。

4 風道優(yōu)化

假人腳面風速落點處示意如圖5所示，圖5中黑圈處即為風速落點處位置，可以通過調(diào)整風道的角度來調(diào)整落點的位置，以便增大腳面風速覆蓋率。

從假人腳面切面速度云圖可以看出，主駕左腳、副駕右腳的風速明顯偏外側(cè)，外側(cè)風量富余較大，所以優(yōu)化方向應(yīng)該將風口導向向腳面內(nèi)側(cè)移動，如圖6中黑色箭頭示意的方向。優(yōu)化后分析結(jié)果如下。

1） 風道風阻：主駕為66Pa；副駕為72Pa。

2） 前排吹腳風道的導向性及風速覆蓋率：主駕左腳為85%，主駕右腳為80%；副駕左腳為78%，副駕右腳為83%。

3） 主副駕腿部：主駕左腿為40%，主駕右腿為15%；副駕左腿為18%，副駕右腿為21%。

4） 吹腳風口風量分配：主駕 （L1+L11）∶L2（∶ L3+L31）=59%∶9%∶32%；副駕（R1+R11）∶R2（∶ R3+R31）=47%∶11%∶42%。

5） 吹腳出風口風速：主駕為6.5m/s，副駕為6.6m/s。 

6） 風道內(nèi)最高風速：主駕為13.6m/s，副駕為13.3m/s。 

調(diào)整風道各風口角度后，吹腳各項性能基本滿足目標要求。從圖7速度云圖可以看出，假人腳面風速均勻性非常好，腳面風速大于3m/s風速面積基本達到了80%，大大提高了采暖利用率，在采暖階段，能夠快速提升駕乘人員的腳部溫度。

在優(yōu)化好假人腳面風速覆蓋率及各項流場性能后，需要進一步進行溫度場分析，分析假人腳面溫度場是否滿足設(shè)計要求及主觀性能評價.

5 溫度場分析

進行溫度場分析時，要確認好分析工況與分析要求一致，以及入口溫度、環(huán)境溫度等，由于風道的導熱系數(shù)未知，本次溫度場仿真未考慮風道與環(huán)境的換熱，所以仿真結(jié)果會偏高于試驗結(jié)果。

從圖8可以看出，主駕左右腳面溫度分布基本均勻，右腳溫度略高于左腳，腳尖溫度略低于腳面溫度，總體來說主駕腳面的溫度均勻性較好，滿足目標要求。因主駕右腳活動范圍較大，今后將結(jié)合實車感受確定是否需要對吹腳風道進行局部優(yōu)化，同步采集腳面溫度實測值，對比仿真精度。

6 結(jié)論

本文通過對乘用車吹腳風道進行優(yōu)化，改善了駕乘人員腳部流場，使得吹腳各項性能滿足目標要求，最直觀的體現(xiàn)就是改善了駕乘人員的主觀感受，使得駕乘人員在駕駛車輛時腳部的風速、溫度都非常舒適。一個好的吹腳性能，間接影響了整車的能源利用率，在冬季采暖工況下，可以在一個較小風量下，達到一個舒適的腳部溫度，而不是一味地通過增大風量來提升腳部溫度。所以對于新能源汽車來說，一個好的吹腳性能至關(guān)重要，它不僅影響了駕乘人員的主觀感受，更能間接影響整車能源的利用率，對提升整車行駛里程有著重大意義。