王華偉,朱帥,王博等.汽車空調(diào)風(fēng)道風(fēng)量分配和氣動(dòng)噪聲優(yōu)化研究[J/OL].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,1-8[2024-02-22].

摘 要：

汽車空調(diào)的除霜風(fēng)道存在的風(fēng)量分配不合理和噪聲較大的問題，嚴(yán)重影響了汽車的舒適性，針對(duì)以上問題，本文以某款汽車暖通空調(diào)為研究對(duì)象，從汽車空調(diào)風(fēng)道引起的氣動(dòng)噪聲入手，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)空調(diào)的除霜風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化研究。通過仿真分析找出除霜風(fēng)道引起風(fēng)量分配不合理和噪聲較大的原因，研究發(fā)現(xiàn)，減少轉(zhuǎn)彎、擴(kuò)大出風(fēng)口、做好氣流分離設(shè)計(jì)和渦流區(qū)的過渡等優(yōu)化可以保證各個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量分配充足均勻的情況下，優(yōu)化后風(fēng)道可使車內(nèi)噪聲最大降低6dB，并在風(fēng)量臺(tái)和半消聲室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性，可為汽車空調(diào)降噪研究提供方法和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 引言

汽車車內(nèi)噪聲大小已經(jīng)成為評(píng)價(jià)汽車舒適性的重要指標(biāo)。其中空調(diào)噪音是汽車噪音的主要噪聲源之一，在新能源汽車中,由于無發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的掩蔽，空調(diào)噪音問題尤為凸顯[1]。空調(diào)出風(fēng)口處的噪音直接被車內(nèi)乘客所感知，嚴(yán)重影響了駕駛體驗(yàn)，因此，汽車空調(diào)風(fēng)道及出風(fēng)口的噪聲降低研究，對(duì)于提高汽車舒適性有著重要作用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車空調(diào)噪聲進(jìn)行了大量的研究，劉天宏從風(fēng)量大小和氣流走向?qū)ζ嚳照{(diào)風(fēng)道進(jìn)行改進(jìn)，提高了除霜效率[2]。汪怡平對(duì)某款汽車空調(diào)風(fēng)道的流場(chǎng)和聲場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行分析，降低了風(fēng)道的氣動(dòng)噪聲[3]。卿宏軍利用標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)道模型，針對(duì)風(fēng)道產(chǎn)生的汽車噪聲對(duì)比研究了幾種不同的仿真方法，發(fā)現(xiàn)聲類比的仿真方法求解精度最高[4]。TM Huang對(duì)汽車除霜性能不足問題進(jìn)行格柵改進(jìn)[5]，D Lee研究出了對(duì)汽車空調(diào)噪聲提出了新的預(yù)測(cè)方法[6]。眾多學(xué)者通過單獨(dú)研究空調(diào)風(fēng)道風(fēng)量或噪聲以提高舒適性，同時(shí)對(duì)風(fēng)量和噪聲的優(yōu)化研究較少，因此，本文結(jié)合仿真對(duì)某款汽車除霜風(fēng)道的風(fēng)量分配和噪聲進(jìn)行耦合分析，并進(jìn)行搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，滿足風(fēng)量充足和分配合理的要求下，在風(fēng)量分配和噪聲耦合分析的基礎(chǔ)上，對(duì)該風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化，有效降低了該空調(diào)的氣動(dòng)噪聲。

2 理論基礎(chǔ)

汽車空調(diào)風(fēng)道的噪聲源復(fù)雜，在風(fēng)道和出風(fēng)口內(nèi)，管道的彎曲和分風(fēng)口處的壁面上和風(fēng)道內(nèi)的流體中，因氣體分流產(chǎn)生的漩渦和湍流，造成了壓力損失，流場(chǎng)紊亂，均造成了較大的氣動(dòng)噪聲[7]。風(fēng)道的氣動(dòng)噪聲是一種寬頻噪聲，在很寬的頻域內(nèi)都有較強(qiáng)的聲壓級(jí)，因此需要進(jìn)行頻域分析找出在不同頻率下的聲壓級(jí)，其氣動(dòng)噪聲的頻率計(jì)算公式為：

3 風(fēng)道的風(fēng)量分配及噪聲實(shí)驗(yàn) 

3.1 風(fēng)量分配實(shí)驗(yàn)

在風(fēng)量臺(tái)上進(jìn)行該空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行風(fēng)量分配實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。在做好空調(diào)氣密性的基礎(chǔ)上，連接空調(diào)風(fēng)道，給風(fēng)道鼓風(fēng)量為424kg/h的風(fēng)量。利用風(fēng)量臺(tái)上的吸風(fēng)模式對(duì)各個(gè)出風(fēng)口進(jìn)行吸風(fēng)，此時(shí)風(fēng)量臺(tái)吸收的風(fēng)量即為該空調(diào)出風(fēng)口的風(fēng)量。本次實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量在除霜風(fēng)道下的四個(gè)出風(fēng)口處的風(fēng)量，如表1所示，并計(jì)算各個(gè)出風(fēng)口風(fēng)量所占比例。由于每款汽車空調(diào)的風(fēng)道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，所產(chǎn)生的風(fēng)阻也不同，進(jìn)而對(duì)風(fēng)量分配和噪聲都產(chǎn)生影響，在汽車空調(diào)風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)還需要重點(diǎn)要考慮風(fēng)道各個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)阻等。因此，本文對(duì)該風(fēng)道的風(fēng)阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)出四個(gè)出風(fēng)口在各自目標(biāo)風(fēng)量下的風(fēng)阻大小，如表1中所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示可知，該風(fēng)道的實(shí)際風(fēng)量分配結(jié)果與目標(biāo)風(fēng)量分配比例最大差值有7.3%，中間兩個(gè)除霜出風(fēng)口風(fēng)阻過大，導(dǎo)致出風(fēng)量不足，另外兩個(gè)側(cè)除霜出風(fēng)口風(fēng)量偏大，與目標(biāo)風(fēng)量分配比例要求不符，容易引起前擋風(fēng)玻璃除霜效果不理想、側(cè)出風(fēng)口風(fēng)量過大影響駕駛等問題。

3.2 噪聲實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)需要的條件，如表2所示，對(duì)該風(fēng)道的噪聲實(shí)驗(yàn)需要在半消音室中進(jìn)行，原理圖和實(shí)物圖如圖2（a）和圖2（b）所示，通過半消音室外鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)引入到半消音室的穩(wěn)流倉(cāng)中，穩(wěn)流管道連接到汽車空調(diào)風(fēng)道的入口處，保證連接處密封完好，避免因連接處泄露而導(dǎo)致的湍流和嘯叫產(chǎn)生干擾噪聲。在距離空調(diào)風(fēng)道中央0.5m處布置一個(gè)麥克風(fēng)并進(jìn)行校準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)該風(fēng)道的氣動(dòng)噪聲。先測(cè)試在安裝好穩(wěn)流倉(cāng)和過渡連接工裝不帶儀表板風(fēng)道時(shí)實(shí)驗(yàn)條件下的噪聲為22dB，滿足與帶有儀表板風(fēng)道的氣動(dòng)噪聲相差在10dB以上的要求，可以在該條件下用該實(shí)驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行氣動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)。

該汽車空調(diào)風(fēng)道在500~5000Hz頻段的噪聲頻譜圖，如圖2（c）所示，可以看出汽車空調(diào)風(fēng)道產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲是中高頻的寬頻噪聲，其在2320Hz處存在這最大聲壓級(jí)有52dB，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知該風(fēng)道在424kg/h的風(fēng)量下在0.5m處有68.3dB，比GB/T21361-2017和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的目標(biāo)值大2.3dB，較大的噪聲嚴(yán)重影響汽車的舒適性。

4 除霜風(fēng)道CFD仿真優(yōu)化

由風(fēng)量分配實(shí)驗(yàn)和噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知該款汽車空調(diào)的除霜風(fēng)道存在的除霜風(fēng)道風(fēng)阻過大、中間除霜口除霜面積和指向性不理想、風(fēng)量分配不合理和噪聲較大的等問題。因此本文借助流體仿真軟件STAR CCM+分析氣流在該風(fēng)道內(nèi)部的流動(dòng)情況，得到流線圖和噪聲源云圖找出氣流在風(fēng)道內(nèi)部分流和轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生渦流及紊亂情況。并針對(duì)發(fā)生渦流和紊亂的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)，探索汽車空調(diào)的優(yōu)化方法，模擬復(fù)雜的工況，避免了多次實(shí)驗(yàn)造成的人力、物力和時(shí)間的浪費(fèi)，提高優(yōu)化效率。

4.1 仿真模型及邊界設(shè)置

為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在仿真時(shí)在該風(fēng)道的入口處延長(zhǎng)一段長(zhǎng)度為0.5m的等截面穩(wěn)流場(chǎng)，在出風(fēng)口處設(shè)置半球形的區(qū)域以觀察各個(gè)出風(fēng)口處流場(chǎng)情況和捕捉該風(fēng)道出風(fēng)口的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲。風(fēng)道內(nèi)部流場(chǎng)的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為3mm，對(duì)該風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口和每個(gè)風(fēng)道出風(fēng)口格柵加密，網(wǎng)格尺寸為0.75mm，原風(fēng)道提取內(nèi)部區(qū)域模型，如圖3（a）所示，畫分后的網(wǎng)格模型，如圖3（b）所示，紫色區(qū)域?yàn)榧用軈^(qū)。進(jìn)口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，其余邊界條件設(shè)置為固體壁面邊界。

依據(jù)該空調(diào)在除霜模式下最大擋位時(shí)的風(fēng)量為424kg/h，在STAR CCM+中換算為0.11kg/s的質(zhì)量流量入口，參考風(fēng)道內(nèi)部流速和空氣動(dòng)力粘度設(shè)置湍流強(qiáng)度為0.01，湍流粘度比為4，其余采用默認(rèn)設(shè)置。設(shè)置聲源面和距離模型中央為0.5m的位置為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，并輸出瞬態(tài)脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)。本次計(jì)算把最高頻率設(shè)定為5000Hz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律[6]要滿足采樣頻率取為10000Hz，因此設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.02ms。

4.2 優(yōu)化方案

對(duì)原風(fēng)道模型進(jìn)行了四處優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖4所示。相比于原風(fēng)道，如圖4（a）所示，優(yōu)化后的圖4（b）中A處側(cè)左除霜出風(fēng)口管道減少了轉(zhuǎn)彎和取消了不必要的凹陷部分。在圖4（b）中B處把兩個(gè)中間除霜出風(fēng)口增大，并做好格柵的連接和過渡。并做好格柵的連接和過渡。圖4（a）中C處在進(jìn)風(fēng)的中間部分由于兩個(gè)邊除霜共用一個(gè)進(jìn)風(fēng)口因此需要在此處需要做好氣流分離設(shè)計(jì)，減少氣流紊亂，進(jìn)而降低風(fēng)阻，改善風(fēng)量分配和噪聲結(jié)果，因此把之前為了使氣流分離的中間凹陷處設(shè)計(jì)的凹陷更深但更窄一點(diǎn)。在圖4（a）中D處原風(fēng)道的過渡部分容易存在著氣流回流的問題，因此直接把之前的過渡處改成斜面過渡，減小渦流區(qū)。

對(duì)優(yōu)化前后的風(fēng)道進(jìn)行仿真得出該風(fēng)道的內(nèi)部的流場(chǎng)分布云圖，設(shè)置原風(fēng)道和優(yōu)化后風(fēng)道的仿真流場(chǎng)云圖中速度顯示都設(shè)置為0~20m/s，如圖5所示。由圖5（a）和圖5（b）對(duì)比可以看出該風(fēng)道在A處由于彎角過多導(dǎo)致阻力增大引起流速增大；由圖5（c）和圖5（d）對(duì)比可以看出原風(fēng)道在B處出風(fēng)口處的面積過小導(dǎo)致風(fēng)向指向性差，前擋風(fēng)玻璃的中間位置存在死角，除霜效果不理想；由圖5（e）和圖5（f）對(duì)比可知原風(fēng)道在C處氣體分離處的流線分離度差，說明此處的氣體分離效果不明顯；由圖5（i）和圖5（j）對(duì)比可以看出該風(fēng)道在D處存在著明顯的渦流區(qū)。

由理論分析可知，本文運(yùn)用Curle聲功率模型來仿真計(jì)算偶極子聲源的產(chǎn)生，可觀察空調(diào)的風(fēng)道和出風(fēng)口在流體上產(chǎn)生的波動(dòng)表面壓力，即面聲源。原風(fēng)道和優(yōu)化風(fēng)道的寬頻噪聲的偶極子聲源云圖，如圖6所示。對(duì)比圖6（a）和6（b）可以明顯看出優(yōu)化后風(fēng)道內(nèi)噪聲源聲功率較低。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 

5.1 仿真模型驗(yàn)證

把仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比，風(fēng)量分配的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)，如表3所示，通過所占總風(fēng)量的百分比表示可以發(fā)現(xiàn) 風(fēng)量分配的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，均在1%以內(nèi)。該模型在距離中心0.5m位置的仿真與實(shí)驗(yàn)的頻譜圖，如圖7所示?？?以看出仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)得出的頻譜圖的變化趨勢(shì)具有很好的一致性，均在1007Hz處產(chǎn)生聲壓峰值

。

針對(duì)存在的仿真與實(shí)驗(yàn)的誤差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)時(shí)從空調(diào)出口的風(fēng)量到風(fēng)道入口時(shí)的風(fēng)量并不是均勻的，而在仿真時(shí)在流量入口的風(fēng)量的均勻進(jìn)風(fēng)的，因此對(duì)出風(fēng)口的風(fēng)量分配存在較小的誤差，而且在風(fēng)量分配實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)各個(gè)出風(fēng)口的出風(fēng)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)存在一定的測(cè)量誤差。其二是在仿真時(shí)，對(duì)仿真模型進(jìn)行一部分的簡(jiǎn)化，而且由于計(jì)算時(shí)間的限制，在局部突變部位的模型細(xì)化程度不夠。但都在合理的范圍內(nèi)，而且誤差結(jié)果都在允許范圍內(nèi)，因此數(shù)據(jù)結(jié)果可默認(rèn)為準(zhǔn)確，驗(yàn)證了該仿真方法可以很好的對(duì)汽車空調(diào)的風(fēng)道噪聲進(jìn)行仿真分析，具有一定的準(zhǔn)確性和一致性。

5.2 優(yōu)化方案驗(yàn)證

由表1和表3中的風(fēng)量分配結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的風(fēng)道總風(fēng)阻由的661Pa減小到465Pa，尤其是中間兩個(gè)除霜口的風(fēng)阻顯著下降，同時(shí)兩個(gè)側(cè)出風(fēng)口的風(fēng)阻適當(dāng)提高，且使風(fēng)量分配比例更接近目標(biāo)風(fēng)量分配比例，更接近要求。由氣動(dòng)噪聲頻率的計(jì)算公式（1）可知，結(jié)構(gòu)改變其頻率在很寬的頻段內(nèi)都將發(fā)生改變，從圖8的原風(fēng)道和新風(fēng)道實(shí)驗(yàn)值頻譜圖可發(fā)現(xiàn)新風(fēng)道在670~1070Hz外的頻段聲壓級(jí)都有降低，且在1007Hz處的噪聲峰值也要比原風(fēng)道在2320Hz處的峰值噪聲低1.6 dB，優(yōu)化后的新風(fēng)道總的聲壓級(jí)為62.3dB，比原風(fēng)道總聲壓級(jí)減小了6dB。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明優(yōu)化后的風(fēng)道不僅改善了風(fēng)量分配結(jié)果還降低了噪聲。

6 總結(jié)

本文對(duì)優(yōu)化前后的汽車空調(diào)的風(fēng)道的風(fēng)量分配和氣動(dòng)噪聲都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真，得出以下結(jié)論： 

（1）借助STAR CCM+流體分析軟件對(duì)原風(fēng)道的流場(chǎng)和氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真計(jì)算，并通過風(fēng)量和噪聲實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證：STAR CCM+軟件可以較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)汽車空調(diào)風(fēng)道的風(fēng)量分配結(jié)果和氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)，仿真精度較高。

（2）采用的減少轉(zhuǎn)彎、擴(kuò)大出風(fēng)口、做好氣流分離設(shè)計(jì)和渦流區(qū)的過渡等優(yōu)化設(shè)計(jì)后，最大風(fēng)量分配差距由7.3%變?yōu)?.4%，氣動(dòng)噪聲由大于目標(biāo)噪聲值2.3dB變成小于目標(biāo)值3.7dB，風(fēng)量分配和噪聲均滿足目標(biāo)要求。

（3）明顯的改進(jìn)了風(fēng)量分配結(jié)果和噪聲，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好，驗(yàn)證了該風(fēng)道優(yōu)化方案的合理性，對(duì)以后汽車空調(diào)風(fēng)道的改進(jìn)有一定的參考意義。