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室内空气净化器气流组织的数值模拟研究
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空气净化器动力特性分析及三维数值模拟研究
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3秒自动关闭窗口计算流体力学在汽车空调系统中的应用
&&& 计算流体力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）在汽车工程上的应用始于20世纪60年代，当时主要用于发动机进气及缸内混合气流动的数值模拟、汽车制动等液力系统数值计算及汽车空气动力性能数值模拟等[1]。
&&& 随着计算机技术的发展和数值计算方法的成熟，CFD在汽车工业上得到了越来越广泛的应用，世界各大汽车厂商无不借助CFD软件来加快其新产品开发速度，降低开发成本。目前，CFD在汽车领域的应用主要有：汽车空气动力性能研究、汽车车内气流组织分析、风窗玻璃除霜性能研究、发动机舱热环境分析、发动机燃烧过程及进排气歧管气流模拟、发动机冷却系统模拟、制动器散热分析及液力变矩器、油泵和燃料电池内部流场等的模拟。本文主要介绍CFD在汽车空调系统中的应用。
&&& 1 开展汽车空调系统数值模拟研究工作的意义与CFD软件
&&& 汽车车室内部的空气品质是衡量汽车舒适性的一个重要指标。因为车内空气质量的优劣和热舒适性的好坏，不但直接影响乘客的乘坐感受，还影响他们的身体健康。车内空气环境研究的重点是对空气分布的研究，只有掌握了车内空气流速、温度、湿度、空气洁净度等的时空分布，才能准确地对车内空气品质进行预测和评价[2]。
&&& 传统的汽车空调系统设计一般是依经验设计，在汽车制造出来后进行试验，对试验中发现的缺陷进行补救，这使得设计处于被动状态，难以做到对自己的设计心中有数。试验方法也多采用道路试验与室内试验，道路试验受气候条件与地区因素限制，一年中只有很短的时间适合试验，且道路性能试验测试难度大、试验气候条件重现性差，导致试验结果可比性也差。室内试验是在气候风洞试验室或汽车空调环境模拟试验室内完成的，室内试验克服了道路试验的一些缺点，但也存在试验室建造费用高昂、多次试验使设计成本大幅增加等问题。总之，传统的整个试验过程既费时又花费惊人，对不同方案试验时很不方便，极大地影响了新产品的开发速度。
&&& 利用数值方法模拟车内空气的时空分布具有下列优点：成本低，与模型试验相比，投入的人力、物力大大减少；速度快，可以在较短的时间内研究多种不同的方案，并选出最优方案，节约时间；数据完整，能够提供整个计算域内所有的有关变量，而采用试验方法要想获得完整的结果几乎不可能；可以模拟真实条件，模型试验一般只能采取相似模型试验，而数值模拟可以全尺寸模拟；不受气候条件与地区因素限制，变被动设计为主动设计。
&&& 20世纪80年代初英国CHAM首先推出了以SIMPLE算法为基础的商业化CFD软PHOENICS，之后更多的商业化CFD软件如雨后春笋般地出现。目前，市场上常见的商业化CFD通用软件有FLO-TRAN、CFX、FLUENT、NUMECA、PHOENICS、STAR-CD等。在数值方法上，FLOTRAN采用的是有限元法求解偏微分方程，而CFX、FLUENT、NUMECA 、PHOENICS和STAR-CD采用的则是有限体积法。
&&& 2 汽车空调系统数值模拟的一般步骤
&&& 2.1 前处理
&&& 前处理包括建立车室几何模型、划分网格、确定边界条件与设置初始条件等。建模的目的是实现物理空间到计算空间的映射，把物理问题转化为数学问题求解。为了节约计算成本，建模时一般把一些细小、复杂且对计算结果影响不大的结构简化掉。
&&& 计算流体力学的原理是用空间（和时间）上有限个离散量来描述连续的流体流动，对计算空间划分网格就是为了达到离散化的目的。划分的网格可以分为结构化网格与非结构化网格两种，与前者相比，后者具有生成时间短，易于在复杂空间生成的优点，但前者求解速度快。因此，早期很多人致力于把复杂空间分解成多个块，再在每个块内生成结构化网格以达到节约计算时间的目的。对于现今计算机的高速求解能力来说，单纯为了节约一些计算时间而花费大量时间来生成结构化网格似乎意义不大，工程人员有更乐意于采用非结构化网格的趋势。一般说来，网格划分得越密，计算的精度越高，但计算时间也将越长。所以，明智的做法是根据所在区域的场梯度的大小确定网格划分的疏密，一般梯度大的地方划分的网格较密。如果事先无法预估所在区域场的梯度，可以先用较疏的同一网格密度划分整个区域，根据初步计算结果找到场梯度大的区域进行局部网格加密。目前研究比较活跃的是自适应网格的生成方法，程序根据初步计算结果自动修正网格密度，达到计算精度与计算时间均可接受的目的。
&&& 边界条件设定包括送风口形式、送风口速度、太阳辐射热、发动机辐射热、人体散热等其他热源的加载，以及回风口压力值的设定等。初始条件设置包括物性参数、车内初始气流速度及温度等的设定（一般凭经验设定，设的越靠近实际值，到达收敛的时间越短）。
&&& 2.2 求解器
&&& 求解是整个数值模拟过程的核心。在求解时一般要对车内空气流动与传热的数学模型作出一些假设，如假设车内空气为不可压缩流体、不向外泄漏、不参与辐射及流动状态为紊流等。在此基础上，选择相应的控制方程、紊流数学模型、具体方程的离散方法及计算精度。设置好松弛因子，开始迭代计算。计算过程中要对残差图和各种物理参数进行监视，如果发生残差振荡或计算结果不收敛，则需修改松弛因子或离散方法重新计算；如果是由于网格质量问题引起的，则需要重新划分网格。
&&& 2.3 后处理
&&& 保存计算结果的数据文件，导入到合适的后处理软件中进行图形化输出（对带有后处理模块的求解软件可以直接输出，如FLUENT等），以得到速度场、温度场、浓度场、压力场及其他参数。对计算结果进行评价，若结果不理想可重复以上步骤，直至获得满意的结果。
&&& 3 CFD在汽车空调系统中的应用[4～9]
&&& 文献[4]运用k–ε三维紊流模型模拟了内置式空调客车车室的气流组织，与顶置式空调的气流组织对比发现，内置式空调温度、速度分布更均匀，车室内的气流组织更为合理。内置式空调车室中央大部分区域温度分布比顶置式空调均匀，温差基本上小于1℃。内置式空调车室内只存在较小的滞流区，而顶置式空调局部区域空气流速差别较大，在车内形成涡流区，对温度分布产生不利的影响。
&&&&顶置式空调出风口附近区域的温度较低，回风口附近气流产生短路，使这一区域的空气循环比较强烈。车内空气流动强度不同，造成前后温差较大，车室内温度分布不均匀，影响了空调效果。而内置式空调大部分区域的温度比较均匀，前后两区域由于太阳辐射，得热量较大，所以温度较高。从整体上看，温度场分布明显比顶置式空调好。
&&& 文献[5]利用PHOENICS软件，采用污染源强度（olf）和空气品质感知值（decipol）两个指标评价空气品质。模拟了冬、夏季工况不同送、回风口位置情况下客车车室内速度场、温度场和浓度场的分布情况，从空气品质和人体舒适性角度给出了宜采用的气流组织形式。
&&& 上海交通大学根据轻型客车的车内空气流动特点，将空调风道系统纳入计算区域，对车内流场和温度场分布进行了三维数值模拟。数值模拟结果认为“客车风道内风量分配主要由风道内的静压分布决定，适当加大风道截面积有利于风量分配, 并可避免采用变截面收缩风道而增加的工艺难度[6]。”
&&& 美国Visteon公司采用CFD技术模拟了汽车风窗玻璃除霜性能，到目前为止，该公司的工程人员借助FLUENT软件并利用其非结构化网格生成功能与并行计算的优势，达到了改善汽车空调系统性能的目的，并减少了75%的产品设计与实际生产间隔时间。
&&& 此外，国外大量的研究人员还借用CFD软件进行汽车空调系统送风管道和除霜器喷嘴的辅助设计，并提出了相应的计算方法、计算网格和边界条件的优化与标准化方法。上海交通大学的科研人员也对轿车空调的风道进行了数值分析，所得到的计算结果与实际测试值相吻合，达到了定量分析的精度要求，说明所建立的模型可以用于实际设计。
&&& 4 结语
&&& 国内外已有的研究成果表明，采用CFD技术模拟汽车空调系统是可行的，而且结果可靠。随着计算机技术、计算方法和紊流模型理论研究的发展，CFD技术在汽车空调系统上将得到越来越广泛的应用。此外，非结构网格生成方法的实现和并行计算的应用，将使得数值模拟汽车空调系统各种参数的求解时间进一步缩短，大大地减少了汽车空调系统的开发时间。
&&& 参考文献
&&& 〔1〕 高利.汽车流场数值模拟研究的发展概况及趋势.中国公路学报，1998(2).
&&& 〔2〕 金松涛.客车车内空气环境研究和其空调系统设计现状及发展方向.客车技术与研究，1998(2).
&&& 〔3〕 S.V.帕坦卡 著，张政 译.传热与流体流动的数值计算.北京：科学出版社，1984.
&&& 〔4〕 孙宗鑫，陈蕴光，等.内置式客车空调气流组织的数值模拟.制冷与空调，2003(5).
&&& 〔5〕 万建武，J.Van Derkooi.长途客车中的空气品质和人体热舒适研究.建筑热能通风空调，1998(3).
&&& 〔6〕 陈江平，孙召璞，等.轻型客车室内通风的数值模拟与实验研究.应用科学学报，2002(2).
&&& 〔7〕 Kenji Okumura，Practical use of CFD for air conditioning duct and defroster designing. SAE Paper 978309.
&&& 〔8〕 FLUENT公司网站：
&&& 〔9〕 陈江平，牛永明，等.轿车空调风道的计算流体动力学分析.汽车工程，2002(2).
&&& 〔10〕John D. Anderson, Jr.计算流体力学入门.北京：清华大学出版社，2002.
&&& 〔11〕戴玉英.汽车空调环境模拟试验室设计及特点.制冷与空调，2002(4).
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