乘用车空调进气格栅功能设计研究

摘 要：乘用车空调进气格栅是前挡风玻璃、发动机舱盖、翼子板之间的外观覆盖件，同时为空调系统呼吸新鲜空气提供入口，保护雨刮系统以及空调系统免受雨水侵蚀，引导气流、水流，属于外观功能件。该文重点介绍空调进气格栅的水、气等功能设计开发、应用计算机流体软件展开的相关研究以及成果。

关键词：空调进气格栅 水管理 气管理

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0112-02

乘用车空调进气格栅是前挡风玻璃、发动机舱盖、翼子板之间的外饰覆盖件，纵向连接前风挡玻璃以及发动机舱盖，横向连接左右翼子板，一般为黑色塑料件，实物外观以及整车位置如图1所示。

空调进气格栅与车身钣金共同围成一个空腔，在这个空腔里布置有前雨刮系统以及空调系统的进气口，空调进气格栅是空调系统新鲜空气的入口，同时保护雨刮系统以及空调系统免受雨水侵蚀，空腔是水流及气流的通道，该文重点介绍空调进气格栅的水、气等功能设计的开发。

1 气管理

空气通过发动机舱盖与空调进气格栅之间间隙进入，通过空调进气格栅开口到达车身空调进气腔，在腔内流动并通过位于腔内的空调进气口最终进入空调箱，实现冷热调节后按客户设置经由吹面风道、除霜风道送达至目标区域，如图2进气流路断面示意图。

气体在管道内流动实质是通过牺牲自身能量以克服流动阻力的过程，空调鼓风功能本质上是鼓风机模块所产生的压力克服气流流路上流动阻力的结果，进气气路上压降的大小直接影响鼓风模块功耗，该文主要涉及空调箱进气口上游进气通道，确保其在一定空气流量情况下流阻处于合理水平。总阻力损失主要由摩擦阻力和局部阻力构成。摩擦阻力损失是指气体沿管道流动时由于质点间的内摩擦力及与管壁之间的外摩擦而引起的能量损失，压力降参考范宁公式：

局部阻力损失：当气体流过的管道发生局部变化时，就在管道的局部化地区发生气体与管壁的冲击，因而造成一部分能量损失。

工程上常见的流体流速范围内，摩擦系数λ近似等于常数。当管路及输送的流体一定时，l、d、Σζ、ρ均为定值，故R等于常数，称之为阻力系数。项目设计上，用阻力系数（R值）来表征进气流道的流阻大小：R=P/Q2（其中P为流道静压降Pa；Q为空气流量l/s），阻力系数（R值）表征的是流道顺畅程度。理论上，流道结构不变的情况下，R值也唯一。

空调进气压降设计工作中通常借助计算流体商业软件进行虚拟分析实现，其分析原理基于流体力学理论，计算过程涉及流体力学连续性方程，即运动流体物质守恒方程以及动量方程，及流体流动过程中受各种力作用下的平衡方程[1，2]。分析步骤从数据的收集到前处理划分网格，设置边界条件，到计算输出结果，其中网格生成采用四面体画法，最后通过生成的网格导人Fluent软件进行计算。

通过计算机仿真技术的应用以及经验积累发现，空调进气格栅开口面积、位置，空调进气格栅与发动机舱盖之间的间隙大小，车身空调进气腔结构形式等都是影响阻力系数的关键因素。空调进气格栅开口面积越大，进气阻力越小，但是过大的开口面积，会导致车身空调进气腔排水负担过重，排水不及时等问题，因此开口面积的大小需要根据整车空气流量的大小并结合车身空调进气腔的排水能力综合制定。为确保整车开发过程中空调进气压降设计上处于合理水平，空调进气格栅进气面必须布置在正压区，为保证空调进气口的水汽分离，空调进气格栅上的开口距离空调进气口距离至少大于250 mm。车身空调进气腔结构受前舱区域总布置得影响，在保证前舱布置的前提下，截面面积尽可能大并且均匀一致，车身空调进气腔宽深比大于3，腔内支架的设计也要考虑对气流的阻力影响。

2 水管理

乘用车空调进气格栅是前挡风玻璃，发动机舱盖，翼子板之间的外饰覆盖件，下雨或洗车时，大部分的水会从车顶沿前挡风玻璃流下，积水从进气格栅上的孔状结构流入车身腔体内，从图2可以看出，乘用车空调进气格栅区域有雨刮系统，空调进气口等需要防水的部件，雨刮电机水侵入会导致系统不能正常运行，影响行车安全，空调系统水侵入会影响鼓风机性能，严重的甚至会出现水侵入乘客舱，影响车辆最基本的挡风遮雨功能，因此该区域需要考虑安全有效的水管理。前期设计时，要充分考虑空调进气格栅对外界水流的导向以及车身空腔结构的排水能力，车身空调进气腔内的积水高度不能超过雨刮电机以及空调进气口的布置高度，并要有足够的设计余量。

为提升前期设计的精确度，同样借助计算机流体动力学软件来模拟水流状况，积水高度等，计算采用VOF多相流模型的瞬态模拟，通过定义VOF界面，进行数值模拟，显示在既定的边界条件下水的容积，积水的高度以及水流速度等，为空调系统以及雨刮系统的布置提供设计指导[3]。首先对空调进气格栅、车身空调进气腔、雨刮系统、空调内循环进气口，前挡风玻璃等关键子系统进行网格划分，从以上子系统三维几何模型中提取VOF分析的边界条件，边界条件设置完成后，有计算机分析并输出分析结果，具体结果分析实例如下。

（1）水流高度跟空调内循环进气口之间的关系，根据计算结果给工程设计提供输入，如果水流高度超过内循环进气口高度，需要修改设计降低水流高度或者增加水流挡板防止水侵入。

（2）水流高度跟雨刮电机及连杆机构之间的关系：根据计算结果给工程设计提供输入，如果水流高度高于雨刮电机的高度，需要修改设计降低水流高度或抬高雨刮电机，防止电机进水影响性能。

车身空调进气腔是水流和气流的通道，通常设计时考虑足够的坡度设计并保证开口面积来加速水流的速度，根据水往低处走的物理常识，中间位置是最高点，将排水口设计在两侧位置低点，从而将水导向两侧安全区域。

3 结语

该文从空调进气格栅的功能要求着手，从水、气管理两方面介绍了关键影响因素及其原理，影响因素间存在着相互的制约关系，在设计中需要综合考虑其对水、气的影响，该文借助计算机流体软件模拟该区域的气流受阻状况、水流状况以及积水高度，根据这些数据就可以调整设计找到最优匹配方案，改变了传统设计中的依靠经验进行定性分析、缺少定量数据的设计方法，有助于设计优化，从而提高设计开发质量。

参考文献

[1] 王福军.计算流体动力学分析――CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：235-238.

[2] 周俊杰，徐国权，张华俊.FLUENT工程技术与实用分析[M].北京：中国水利水电出版社，2010：13-15.

[3] 赵玉新.FLUENT帮助手册[M].长沙：国防科技大学出版社，2003：35-40.