汽车空调进气系统水气分离性能研究

摘 要：本文结合汽车空调进气系统进水问题的解决，运用CFD方法进行了汽车空调进气系统的气液两相流数值模拟。通过数值模拟和实验相结合的方式分析了空调进气系统水气不能彻底分离的原因，并对空调进气系统的进气性能进行了研究，通过实验验证了模拟方法的可靠性。模拟和实验表明：空调挡水板的结构对空调进气系统的压力分布有重要影响，而压力分布影响着进入空调进气系统的水滴的流动方向和速度，当挡水板下边缘的压力较小时，水能够在重力作用下流到车辆下部。

关键词：两相流;水气分离;汽车空调; CFD

一、绪论

（一）研究的目的和意义

本文是为提高空调进气系统水气分离性能而进行的研究，对空调进气系统水气不能完全分离的难题进行理论研究，总结水气分离的原理，并应用Ansys软件对空调进气系统进行CFD分析，总结空调进气口压力分布特点，总结挡水板布置的一般规律。

（二）国内外研究现状及发展趋势

国际上对双流体模型的研究始于20世纪70年代， 双流体模型基本方程主要包括连续性方程和动量守恒方程，在考虑温度变化时，还要有相应的能量守恒方程，一般采用k- 湍流模型计算液相湍流粘度。进行数值模拟的软件一般有PHOENICS、STAR-CD、STAR-CCM+、FLUENT、CFX等商用软件，本文进行数值模拟时使用的为CFX软件。

（三）汽车空调进气系统介绍

空调进气系统位于汽车前风窗玻璃右下部，与外部环境之间通过进气格栅上的通风孔进行空气的交换，空调进气格栅位于通风盖板下部，空气通过通风盖板上的进气孔、空调进气格栅被空调鼓风机吸入驾驶室内部。在此功能实现的过程中空调进气格栅不仅起着引导气流的作用，同时要防止从通风盖板进入的水进入空调系统。

二、汽车空调进气系统数值模拟

（一）创建几何模型

创建几何模型时，使用的为CATIA V5R19软件。空调进气系统周围的环境件较多，有翼子板内板、通风格栅上板、通风格栅前围上板等，且各零件的形状也比较复杂。若按照实际形状进行模型的建立，会造成网格数量多、计算精度差、计算时间长，为了避免以上问题，需要对模型进行简化。

（二）网格划分

网格数目的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数目增加，计算精度会有所进步，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数目时应权衡两个因数综合考虑。网格较少时增加网格数目可以使计算精度明显进步，而计算时间不会有大的增加。当网格数目增加到一定程度后，再继续增加网格时精度进步甚微，而计算时间却有大幅度增加。实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果，假如两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。

确定了系统的进气口、出气口、壁面之后则进行网格划分，网格型式选择volume，自动生成网格即完成网格划分。

（三）前处理

ANSYS的CFX模块可执行如下分析：层流或紊流、传热或绝热、可压缩或不可压缩、牛顿流或非牛顿流、多组份传输。本文要选择的模型为层流模型。

模型计算区域边界条件为：标准大气（1atm），整个计算区域的温度为25℃（323K）。

模型进风口：标准大气（1atm），当进行气液双相流计算时进入的流体为标准空气和水的混合物，水的体积比例为1/5，空气的体积比例为4/5。

模型的OUT1（出水口）：标准大气压1atm。

模型的OUT2（出气口）：气压为-0.2atm。

重力方向选择-Z方向，重力大小为9.8m/S2，水密度设置为997kg/m3。

（四） 数值求解

启动求解管理器进行求解，收敛值设定为1.0×10-4，定义结果输出路径和工作路径，启动求解器进行数值求解。

（五） 后处理

通过对比可以得到以下结论：当边界条件相同时，调挡水板的结构影响着压力分布和出气口部位的进水量，出气口的空气速度和出气口的水流速度没有直接关系，出气口的空气压力和出气口的水流速度没有直接关系。根据计算结果，当使用空调挡水板的第3种结构时，出气口部位的水流速度为负值，即出气口部位不会进水。

三、试验验证

通过查阅资料了解到，目前没有汽车空调进气系统的试验方面的文献，所有汽车公司对空调进气系统性能的判断都是通过整车淋雨试验进行，因此本论文中计算结果的验证也是通过整车淋雨试验进行。

按照3种空调挡水板的方案制作3个快速样件，分别安装到整车上进行淋雨试验。雨量为2400mm/h，在淋雨试验的30分钟内，试验员一直位于驾驶室内观察各密封部位的密封情况。在试验过程中要将空调工作模式为外循环，且风量开到最大。

试验结果如下：挡水板1安装到车上进行试验时，20分钟时，驾驶室开始出现水渍，试验后检查，鼓风机内有少量积水。空调进气格栅上有大量水珠。挡水板2安装到整车上进行试验时，30分钟时，试验后检查，鼓风机内有少量积水。空调进气格栅上有少量水珠。挡水板3安装到整车上进行试验时，30分钟时，试验后检查，鼓风机内无积水。空调进气格栅上有少量水珠。

通过试验对比可知，试验结果与数值模拟结果基本一致，本文提到的空调进气系统水气分离结构已经很好的解决了空调进水的问题。

四、结论

本文采用仿真分析和试验相结合的方法，结合企业实际存在的工程问题和在研项目，深入分析空调挡水板对水气分离的影响，总结出这些影响因素的权重比;通过软件仿真研究大雨量条件下空调系统进行内外换气时的气液两相流的流场、气液分离情况、气带液量、压力分布，研究出挡水板布置对气液分离的影响规律，总结出空调进气系统水气分离结构的设计方法

参考文献：

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