AcuSolve在某装载挖掘机空调风道设计中的应用

1.概述

       空调风道设计是空调系统设计中的关键环节。空调风道产生的进气压阻，以及各出风口的出风速度及出风量，直接影响着空调性能的发挥及用户体验。空调风道传统设计只进行管路走向、开口位置的设计，在样机生产后再对空调出风效果进行现场风速测试，这样设计空调出风效果往往不理想，并且后期风道模具改动成本较高。本文采用流体动力学仿真的方法，借助Altair公司的AcuSolve软件，对空调风道进行流场仿真。在设计阶段对我公司最新设计某挖掘装载机空调风道进行了仿真优化，经样机测试风道设计满足使用要求。

2.初始风道方案及出风口编号

       挖掘装载机由于驾驶员经常进行挖掘、装载交替作业，整个驾驶室空间宽阔，由此带来风道出风口分布较多，对出风量要求较高。初始设计风道方案布置见图1。为了便于本文叙述，对风道各出风口进行了人为编号。由图知，该风道存在8个出风口，其中1号、2号出风口为底部前后出风，作用是底部吹司机脚部。3号、4号为侧柱出风，作用为形成侧向风，一般不进行打开。5-8号出风口为顶部出风，主要作用为顶部送风，并作为主要出风口。

3.模型搭建

       3.1 网格划分

       AcuSolve是一款基于有限元算法的流体仿真软件，它的网格鲁棒性及求解速度都有着一定的先进性。基于工程计算的需要，对挖掘装载机的风道在HyperMesh中进行了流体网格的划分，整个风道完全采用非结构网格，网格尺寸为5mm，局部曲率变化较大位置进行了网格加密。对风道壁面进行了边界层网格的划分，边界层网格高度为1.5mm，共划分5层网格，网格增长率为1.12。全部网格单元数为12007926，节点数为2057538。整体网格信息及局部网格见图2。

       3.2 模型设置及求解

       对风道的仿真，我们采用了稳态模型进行计算，忽略局部位置的泄露影响。计算中所采用的材料为20摄氏度空气。入口边界条件为流量入口，采用空调鼓风机厂家提供最大鼓风量为450m³/h，各出风口采用大气压力出口，并考虑回流的影响。初步计算为8个风口全部打开的分析工况。整体模型在经过48步迭代后实现收敛，收敛曲线见图3。

4.初始方案结果

       4.1 风道壁面压力

       经过计算，风道壁面压力如图4所示。由图知，风道整体压阻为100Pa左右，满足鼓风机厂要求210Pa的限值。在入口折弯位置存在80Pa左右的负压区，主要为气流转向形成，此位置由结构原因无法进行实际更改，在对风道优化过程中忽略这部分影响。

       4.2 风道速度流线分析

       初始方案风道内速度流线见图5。由图知，在顶部风道折弯以及收尾区域存在较严重涡流现象，并且涡流多集中在出风口附近。涡流的出现不仅影响出风效果，并且会加大整个风道的功率损失，甚至出现管道内的噪声。

       4.3 各出风口出风速度分析

       各出风口出风速度分布见图6。图中红色区域为垂直出风截面轴流速度5m/s以上区域，对比不难发现，出风口8基本无5m/s以上区域。底部1、2号出风口较顶部出风偏小，符合设计规划底部出风速度略低的要求。经过统计发现出风口5-8出风量占比均低于12.5%。按照设计规划，顶部风口出风量占比不应低于15%（平均值），说明风口8需要改进以增加出风量。

5.方案改进与优化

       针对初始方案的不足，经过与设计部门的沟通，确定了最优方案。优化后方案结构变化见图7。主要对顶部风道前后分风界面进行了优化，以减少该区域的涡流，并平衡了前后的流量。在出风口8背部一定距离添加一定的变截面，对来流进行一定的导向，减少涡流的同时，增大风口8的出风量。对顶部尾端进行了外形调整，以减少尾端涡流。

6.优化方案分析结果

       优化后方案流场分析结果见图8。由图知，优化后风道压阻没有明显上升，仍为100Pa左右。流线分布更加合理，消除了初始方案的较大涡流区域。出风口8的出风速度存在明显的5m/s以上区域，改进后底部出风口、立柱出风口出风量占比为33.7%，顶部出风口出风量占比66.3%，较好地达到了设计规划的出风量分配要求。

7.模型验证

       基于优化方案进行了样机制作，装配完成后，按照仿真采用工况对样车进行了测试。主要对各出风口通过风速计进行平均风速的测量，图9为测试照片，表1为测试结果。通过表1可以发现整体顶部出风速度明显高于底部出风，较好的实现了前期的规划，通过现场试车人员的反馈，空调冷风体验效果良好。

8.结论

       1.通过对空调风道初始方案的分析发现，风道压损在100Pa左右，满足风机厂要求背压限值。不过初始方案流量分配不均，部分出风口出风速度过低，风道内部分位置存在较大涡流区域。无法满足设计风量规划要求。

       2.经过对风道结构进行优化改进，优化方案在没有明显提高风道压损的前提下，解决了风道内大范围涡流问题，各风口出风量进行了优化。基本实现底部少出风、顶部多出风的设计要求。

       3.经过对优化方案风道样车的出风口平均风速的测试，说明了仿真优化的准确性和有效性。整体空调冷风用户体验反馈优秀。

       4.通过本次设计优化流程的完善，后期对我公司多款空调风道进行了优化改进，借助AcuSolve在流体仿真方面的高效性和精确性，明显提高了公司空调风道设计的成功率，保证了公司产品良好的用户体验。