皮卡车空调流场分析与优化

摘要

汽车空调作为汽车结构中的主要系统之一，直接影响汽车车室的舒适性和安全性:冬季要求空调对前挡风玻璃进行除霜，确保驾驶员的安全视野;夏季要求空调对室内环境进行降温，为乘员提供良好的热舒适感。汽车流场的气流分布和温度分布决定了空调的除霜效果和降温效果，已成为汽车设计的一个重要环节。本文结合某汽车设计公司实际需求，以处于设计初期的皮卡车作为研究对象，主要进行皮卡除霜风管通风设计、皮卡前挡风玻璃霜层解化特性以及皮卡空调进风口人体舒适性优化设计的研究。
　　在皮卡除霜风管通风设计方面，使用CATIA三维软件建立除霜风管的结构模型，采用FLUENT软件对其除霜通风特性进行模拟分析，以合理分配出风流量，降低压力损失作为目标进行修改，并对修改设计后的风管模型与原设计模型数据进行对比，结果表明修改后的除霜风管风量分配更加合理，气流范围增大，压力损失减少，有利于提高皮卡空调除霜效果。
　　在前挡风玻璃霜层解化特性研究中，以皮卡三维结构模型为基础，采用FLUENT中的标准k-ε湍流模型以及融化/凝固模型对皮卡车前挡风玻璃外表面霜层解化性能进行CFD数值模拟研究。从速度云图、温度云图、温变特性、平均液相率、玻璃外表面流量等方面比较分析了解霜气流温度、气流流量、环境初始温度、进风口与玻璃下边沿距离、进风碰撞角对霜层解化效果的影响，并对各因素影响的原因进行分析梳理，对各相关因素进行改进设计，并将模拟结果与基准工况进行对比，结果发现改进设计结果能够改善除霜效果，缩短除霜时间。
　　在皮卡空调进风口人体舒适性优化设计方面，通过使用基于克里格模型(Kriging)近似模型的优化方法，以加权舒适性评价标准平均预测数PMV以及不满意百分比预测数PPD作为性能目标，首先通过夏季空调进风口参数进行实验设计并分别建立三维网格模型，然后对驾驶舱内温度场进行CFD数值模拟，利用克里格模型对CFD结果建立进风口参数和舒适性模型（加权的PMV模型）之间的数学模型，并将数学模型预测结果与CFD仿真结果对比以验证其合理性，最后用多岛遗传算法(MIGA)对参数进行优化设计，优化设计结果达到人体舒适水平。
　　本文运用CFD技术对皮卡空调流场的安全性与热舒适性进行分析与优化，建立了一种面向性能仿真的皮卡空调舒适性优化设计方法，为该企业解决了空调设计的关键问题，并能对汽车空调流场设计与优化提供指导。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题开发背景

1．2 汽车空调流场的国内外研究现状

1．2．1 汽车空调热舒适性研究

1．2．2 汽车空调除霜研究

1．3 本课题主要研究内容

第二章 汽车空调流场研究理论及方法

2．1 CFD技术介绍及通用软件

2．1．1 CFD技术

2．1．2 CFD数值模拟一般步骤

2．1．3 CFD技术通用软件介绍

2．2 汽车空调流场数值模拟理论

2．2．1 基本控制方程

2．2．2 离散化方法

2．2．3 离散格式

2．2．4 湍流模型

2．3 本章小结

第三章 皮卡车除霜管道通风设计

3．1 风道中压力损失

3．1．1 沿程压力损失

3．1．2 局部压力损失

3．2 除霜风道设计要求

3．3 初版模型建立及CFD模拟分析

3．4 修改设计模型及其对比验证

3．5 本章小结

第四章 皮卡车解霜过程流场影响特性研究

4．1 皮卡车霜层解化模型的建立与分析

4．1．1 三维模型建立

4．1．2 除霜区域的确定

4．1．3 网格划分

4．1．4 融化／凝固模型分析

4．1．5 边界条件

4．1．6 稳态求解

4．1．7 顺态求解

4．1．8 除霜模型结果分析

4．2 进风温度对皮卡解霜特性的影响

4．3 进风风量对皮卡解霜特性的影响

4．4 初始温度对皮卡解霜特性的影响

4．5 进风口位置对皮卡解霜特性的影响

4．6 进风口碰撞角对皮卡解霜特性的影响

4．7 改进设计与验证

4．8 本章小结

第五章 皮卡车空调进风口优化设计

5．1 面向性能的近似模型优化算法

5．2 初始模型分析

5．2．1 设计变量

5．2．2 初始物理模型建模

5．2．3 网格划分及边界条件

5．2．4 仿真结果分析

5．3 驾驶员热舒适性标准

5．4 实验设计

5．5 构建近似模型

5．6 优化设计

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文