CN112765850A - 一种大van车舱内空调系统设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热仿真技术技术领域，提供了一种大VAN车舱内空调系统设计方法，该方法包括：S1.建立整车空调、内结构及驾乘人员的结构有限元模型；S2.建立HVAC前暖及底暖芯体冷侧风道模型；S3.建立HVAC前暖及底暖风扇模型；S4.建立HVAC前暖及底暖芯体热侧流体模型；S5.将步骤S1‑S4建立的各模型进行组合，生成三维流体域模型，并设置边界条件及工况参数；S6.对所述三维流体域模型进行运行计算。该方法通过建立CFD仿真模型，并计算模拟舱内局部坐标点的风速及温度点参数，从而帮助工程师进行空调系统的设计及优化，降低设计周期及成本。

Description

一种大VAN车舱内空调系统设计方法
技术领域
本发明涉及热仿真技术领域，具体涉及一种大VAN车舱内空调系统设计方法。
背景技术
大VAN车空调系统主要是由前暖芯体、底暖芯体、前暖风扇、底暖风扇等部件组成，空调出口风必须要能够实现吹面、吹脚、除霜等功能，满足乘员舱流场、温度场合理分布的要求，空调系统需要能够满足综合性的舒适性指标，所以要求空调风量、出风口位置、管理走向等各部件结构及参数匹配良好，以满足驾乘人员皮肤表面对风速及温度区间要求，满足驾乘人员对于空调舒适性的主观评价。
目前大VAN车空调系统设计多采用类比或对标方法进行设计，而通过试验检测的方式对优化后的结构进行验证，不仅延长了项目周期，增加了成本，且无法对改后的结构进行乘员舱内流场及温度场的精细化评价，容易造成过设计或欠设计。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于CFD模拟仿真软件的大VAN车舱内空调系统设计方法，至少部分的解决现有技术中存在的问题。
本发明实施例提供了一种大VAN车舱内空调系统设计方法，包括：
S1.建立整车空调、内结构及驾乘人员的结构有限元模型；
S2.建立HVAC前暖及底暖芯体冷侧风道模型；
S3.建立HVAC前暖及底暖风扇模型；
S4.建立HVAC前暖及底暖芯体热侧流体模型；
S5.将步骤S1-S4建立的各模型进行组合，生成三维流体域模型，并设置边界条件及工况参数；
S6.对所述三维流体域模型进行运行计算。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述步骤S1具体为：
S11.提取HVAC前置暖风总成及风道、底置暖风总成及风道的表面几何特征，并建立整车空调网格模型；
S12.提取车身内表面几何结构，提取仪表板、方向盘及车身内饰件表面几何特征，并建立内结构网格模型；
S13.提取驾乘人员模型及座椅几何特征，并建立驾乘人员网格模型。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述步骤S2具体为：根据所述HVAC前暖及底暖芯体的长宽高规格尺寸，建立多孔介质模型,所述多孔介质模型设置有基于所述芯体迎风方向的冷侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述冷侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数通过芯体单体试验并拟合二次多项式一获得，所述二次多项式一为：
ΔP/H＝-(Pi|v|+Pv)v (1)
式(1)中，ΔP为压降，H为芯体结构厚度，v为流体速度，Pi为惯性阻尼系数，Vi为粘性阻尼系数。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述步骤S3具体为：根据所述风扇规格尺寸设置MRF模型，所述MRF模型模拟运动网格区域。MRF模型用于模拟旋转区域的定常流计算，MRF模型旋转时可以带动整体模型中的静止网格区域，域交界面上通过将速度换算成绝对速度的形式进行流场信息互换。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述步骤S4具体为：根据HVAC前暖及底暖芯体内部液体流通方向确定所述多孔介质模型的热流方向；所述多孔介质模型设置有基于所述热流方向的热侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述热侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数通过芯体单体试验并拟合二次多项式二获得，所述二次多项式二为：
ΔP/L＝-(Pi|v|+Pv)v (2)
式(2)中，ΔP为压降，L为芯体结构宽度，v为流体速度，Pi为惯性阻尼系数，Vi为粘性阻尼系数。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述步骤S5具体为：
S51.将步骤S1-S4中建立的各模型进行组合，并依据结构空间的物理属性生成所述三维流体域模型；
S52.设置边界条件，包括设置所述风扇MRF模型与所述内结构网格模型之间的边界穿透面，设置HVAC前暖芯体及底暖芯体所述多孔介质模型及所述内结构网格模型之间的边界穿透面，
S53.设置实际工况参数。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述步骤S53中，所述工况参数包括HVAC前暖及底暖的气体进口参数、乘员舱出口参数，HVAC前暖及底暖气流入口初始温度，液体流道流量及初始温度，HVAC前暖空气与液流的热量交换参数，底暖空气与液流的热量交换参数，太阳辐射、人体散热、服装热阻的热量参数。
本发明实施例提供的一种大VAN车舱内空调系统设计方法，用以解决大VAN车空调系统设计周期长、成本高且设计不够精细的问题。本发明的实施例至少具有如下技术效果：
第一、建立CFD仿真模型，并计算模拟舱内局部坐标点的风速及温度点参数，从而帮助工程师进行空调系统的设计及优化，降低设计周期及成本；
第二、通过芯体单体试验获取惯性阻尼系数及粘性阻尼系数，提升热量交换参数的精准度，从而使得仿真模拟结果更为精细，帮助设计师做出更精细的设计；
第三、考虑到了多种对气流温度影响的因素，如前暖、底暖、人体散热及太阳辐射等，从而更准确模拟车内各位置热量分布，帮助设计师做出更精细的设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了本发明实施例所提供的一种大VAN车舱内空调系统设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本公开实施例提供一种大VAN车舱内空调系统设计方法。本实施例提供的大VAN车舱内空调系统设计方法基于CFD仿真模拟软件运行，该CFD仿真模拟软件可为Star-CCM+软件。
参见图1，本发明实施例提供的一种大VAN车舱内空调系统设计方法，包括以下步骤：
S1.建立整车空调、内结构及驾乘人员的结构有限元模型；
步骤S1具体为：
S11.提取HVAC前置暖风总成及风道、底置暖风总成及风道的表面几何特征，并建立整车空调网格模型；
提取车体空调进出口及管路的几何特征，其中重点保留前暖及底暖总成内换热器、调速模块等相关部件几何特征，并建立网格模型，从而能准确模拟空调管路内气体流动状态，提高后续模拟计算精度。
S12.提取车身内表面几何结构，提取仪表板、方向盘及车身内饰件表面几何特征，并建立内结构网格模型；
提取车内各影响气体流动的物体几何结构，并建立网格模型，从而能准确模拟车舱内气体流动状态，提高后续模拟计算精度。
S13.提取驾乘人员模型及座椅几何特征，并建立驾乘人员网格模型。
根据舱内驾乘人员坐标位置及几何特征，提取驾乘人员的假人模型及座椅几何特征，其中重点细化假人头部、手臂、躯干、脚部等局部几何特征，并建立网格模型，从而准确模拟驾乘人员附近气体流动状态，提高后续模拟计算精度。
S2.建立HVAC前暖及底暖芯体冷侧风道模型；
步骤S2具体为：根据所述HVAC前暖及底暖芯体的长宽高规格尺寸，建立多孔介质模型,多孔介质模型设置有基于所述芯体迎风方向的冷侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数。冷侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数用以模拟冷空气通过芯体结构时所处的实际状态。
应用多孔介质区域来模拟通过冷侧结构的压降，先确定多孔介质的惯性和粘性阻尼系数，前提是存在一个流量范围内的压降实验结果或高保真的数字模拟结果，用来提取作为结构特征速度函数的压降，冷侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数通过芯体单体试验参数计算得到，采用多组试验数据的风速及对应的风阻均值拟合二次多项式一，二次多项式一为：
ΔP/H＝-(Pi|v|+Pv)v (3)
式(3)中，ΔP为压降，H为芯体结构厚度，v为流体速度，Pi为惯性阻尼系数，Vi为粘性阻尼系数，以上系数是根据实验数据近似的趋势线定义的。
S3.建立HVAC前暖及底暖风扇模型；
步骤S3具体为：根据所述风扇规格尺寸设置MRF模型，所述MRF模型模拟运动网格区域。MRF模型用于模拟旋转区域的定常流计算，MRF模型旋转时可以带动整体模型中的静止网格区域，域交界面上通过将速度换算成绝对速度的形式进行流场信息互换。
该MRF模型需要设置局部坐标系，局部坐标系主要体现为旋转轴轴点及旋转轴方向，依据发动机曲轴转速及风扇转速的速比计算MRF模型旋转速度。
S4.建立HVAC前暖及底暖芯体热侧流体模型；
步骤S4具体为：根据HVAC前暖及底暖芯体内部液体流通方向确定所述多孔介质模型的热流方向；所述多孔介质模型设置有基于所述热流方向的热侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数。热侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数用以模拟热流通过芯体结构时所处的物理状态。
应用多孔介质区域来模拟HVAC前暖芯体液体流道及底暖芯体液体流道结构的压降，先确定多孔介质的惯性和粘性阻尼系数，前提是存在一个流量范围内的压降实验结果或高保真的数字模拟结果，用来提取作为结构特征速度函数的压降，热侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数通过芯体单体试验并拟合二次多项式二获得，所述二次多项式二为：
ΔP/L＝-(Pi|v|+Pv)v (4)
式(4)中，ΔP为压降，L为芯体结构宽度，v为流体速度，Pi为惯性阻尼系数，Vi为粘性阻尼系数，以上系数是根据实验数据近似的趋势线定义的。
S5.将步骤S1-S4建立的各模型进行组合，生成三维流体域模型，并设置边界条件及工况参数；
步骤S5具体为：
S51.将步骤S1-S4中建立的内结构网络模型、冷侧风道模型、风扇MRF模型、热侧流体模型进行组合，并依据结构空间的物理属性生成三维流体域模型；
S52.设置边界条件，包括设置风扇MRF模型与内结构网格模型之间的边界穿透面，设置HVAC前暖芯体及底暖芯体的多孔介质模型及内结构网格模型之间的边界穿透面。
设置各个物理区域的物理模型以匹配其空间物理属性，考虑大VAN车长时间行驶，处于稳定状态。因此，采用稳态分析方法，其物理属性所依存的连续方程、动量方程及能量方程均与时间无关。
连续方程：
Figure BDA0002904500250000071
动量方程：
Figure BDA0002904500250000081
能量方程：
Figure BDA0002904500250000082
动量方程中，ui中的i取1,2,3分别代表x，y，z三个方向，z方向受到自身重力原因，S1，S2为0，S3为ρg。气体温度影响密度变化，故采用理想气体，气体状态方程如下：
P＝RgT (8)
气体状态方程中，P为压力，Rg为气体常数0.287J/(kg*K)。
S53.设置三维流体域模型的实际工况参数。
工况参数包括HVAC前暖及底暖的气体进口参数、乘员舱出口参数，HVAC前暖及底暖气流入口初始温度，液体流道流量及初始温度，HVAC前暖空气与液流的热量交换参数，底暖空气与液流的热量交换参数，太阳辐射、人体散热、服装热阻的热量参数。
S6.对步骤S5中的三维流体域模型参数初始化后，进行运行计算。
需要说明的是，各个模块按照流式布局进行排列，仅仅是本发明的一个实施例，也可以采用其他的方式排列，本发明对此不做限定。
本发明的实施例具有如下技术效果：
第一、建立CFD仿真模型，并计算模拟舱内局部坐标点的风速及温度点参数，计算周期短，试错成本低，且通过对各个热模块及其他部件参数全面的准确的设置，对乘员舱的热舒适性状态进行流场及温度场精细化评价，从而帮助工程师进行空调系统的设计及优化，降低设计周期及成本；
第二、通过芯体单体试验获取惯性阻尼系数及粘性阻尼系数，准确定义了芯体部件的热量交换参数，从而使得仿真模拟结果更为精细，帮助设计师做出更精细的设计；
第三、考虑到了多种对气流温度影响的因素，如前暖、底暖、人体散热及太阳辐射等，从而更准确模拟车内各位置热量分布，帮助设计师做出更精细的设计。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种大VAN车舱内空调系统设计方法，其特征在于，包括：
S1.建立整车空调、内结构及驾乘人员的结构有限元模型；
S2.建立HVAC前暖及底暖芯体冷侧风道模型；
S3.建立HVAC前暖及底暖风扇模型；
S4.建立HVAC前暖及底暖芯体热侧流体模型；
S5.将步骤S1-S4建立的各模型进行组合，生成三维流体域模型，并设置边界条件及工况参数；
S6.对所述三维流体域模型进行运行计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
S11.提取HVAC前置暖风总成及风道、底置暖风总成及风道的表面几何特征，并建立整车空调网格模型；
S12.提取车身内表面几何结构，提取仪表板、方向盘及车身内饰件表面几何特征，并建立内结构网格模型；
S13.提取驾乘人员模型及座椅几何特征，并建立驾乘人员网格模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：根据所述HVAC前暖及底暖芯体的长宽高规格尺寸，建立多孔介质模型,所述多孔介质模型设置有基于所述芯体迎风方向的冷侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述冷侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数通过芯体单体试验并拟合二次多项式一获得，所述二次多项式一为：
ΔP/H＝-(Pi|v|+Pv)v (1)
式(1)中，ΔP为压降，H为芯体结构厚度，v为流体速度，Pi为惯性阻尼系数，Vi为粘性阻尼系数。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：根据所述风扇规格尺寸设置MRF模型，所述MRF模型模拟运动网格区域。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：根据HVAC前暖及底暖芯体内部液体流通方向确定所述多孔介质模型的热流方向；所述多孔介质模型设置有基于所述热流方向的热侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述热侧惯性阻尼系数及粘性阻尼系数通过芯体单体试验并拟合二次多项式二获得，所述二次多项式二为：
ΔP/L＝-(Pi|v|+Pv)v (2)
式(2)中，ΔP为压降，L为芯体结构宽度，v为流体速度，Pi为惯性阻尼系数，Vi为粘性阻尼系数。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S5具体为：
S51.将步骤S1-S4中建立的各模型进行组合，并依据结构空间的物理属性生成所述三维流体域模型；
S52.设置边界条件，包括设置所述风扇MRF模型与所述内结构网格模型之间的边界穿透面，设置HVAC前暖芯体及底暖芯体所述多孔介质模型及所述内结构网格模型之间的边界穿透面，
S53.设置实际工况参数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤S53中，所述工况参数包括HVAC前暖及底暖的气体进口参数、乘员舱出口参数，HVAC前暖及底暖气流入口初始温度，液体流道流量及初始温度，HVAC前暖空气与液流的热量交换参数，底暖空气与液流的热量交换参数，太阳辐射、人体散热、服装热阻的热量参数。
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