化工原理课程设计汽车空调风口布置的设计毕业毕业设计

化工原理课程设计汽车空调风口布置的设计 专业： ： 指导老师： 目录前言-(3)任务书-(5)设计过程1数学模型1.1车身热负荷来源-(6)1.2 车、外空调设计参数选择-(6)1.3 基本控制方程-(6)1.4车身材料参数汇总-(8)1.5 RNG湍流模型的选择-(8)2传热计算2.1车身围护结构对流传热计算-(10)2.2车身围护结构太阳辐射传热-(11)2.3新风热负荷计算-(12)2.4驾乘人员散热负荷计算-(13)2.5设备散热与照明产生的热负荷计算-(13)3 物理模型和网格划分-(13)4 轿车室送风量设计计算 41送风射流的一般规律-(15)4.2冷负荷与送风量的计算结果-(17)4 边界条件与离散求解-(17)5 出风口位置对车室气流场的影响-(18)6 结论-(22)参考文献-(23)前 言随着汽车特别是轿车向高速化、舒适化的发展，空调汽车室空气品质和乘坐舒适度越来越受到人们的关注。汽车室空气品质、车室的舒适性以与车室气流组织与汽车室空气的流场分布有密切关系，而汽车室空气的流场分布很大程度上决定于汽车空调出风口的设计，因此，进行汽车空调出风口的优化设计是很有必要的。此次设计是由xxxx同学在xxx老师的指导下进行的。其目的是针对我们在化工原理课程中设计、作图能力相对薄弱的情况下，利用学过的基础知识与通过查询互联网和图书馆所获得地知识、锻炼自己的设计生产设备、制图的能力，同时液培养了我们独立思考问题、分析问题、解决问题的能力，也培养了我们相互协作的能力，为今后的实际工作打下基础。由于设计者的水平有限，方案中难免又不妥和错误之处，希望老师批评指正。任务书本文以轿车的空调为研究对象，汽车车厢与外界环境热交换通过导热、对流和辐射三种方式进行。由于外界条件千变万化，汽车运动状态也在不断地发生变化，相互之间的热传递处于不稳定状态，准确计算车室热负荷变得十分困难。汽车热负荷计算有着多种不同的计算方法，本文针对目前采用较多的图表法和稳态热负荷的计算法来计算力帆LF06型轿车夏季空调制冷量。同时根据计算结果对这两种计算方式进行比较。由于汽车室空间狭小，结构复杂，运行环境恶劣，同时易受到太阳辐射等外部因素的影响，增加了实验研究的难度。因而通过数值计算的方法研究复杂几何形状和复杂边界条件的流动和传热问题，具有重要意义。通过利用CFD进行数值模拟，研究汽车室的速度场、温度场，分析送风位置和气流组织对人体舒适性的影响，不仅可以实现对汽车室空气品质和人体舒适性的控制，同时为汽车空调的研究提供了新的思路和手段。根据自由射流理论得到的送风口的送风参数，选择RNG湍流模型，利用Monte Carlo法进行数值模拟对空调室夏季冷负荷与送风量的设计计算，分析空调风口布置对车气流组织的影响，从而在保证轿车车室乘坐舒适性的前提下，对风口布置的进行最优化的设计，最终达到降低能耗，使能量得到最有效利用的目的。l 数学模型11 车身热负荷来源(1)夏季车身热负荷来源是由于车外温度高于车，加上太阳辐射的作用，会有大量热量通过车壁与车窗玻璃传人车；(2)车厢密封性不好，会有不少热空气通过门窗与地板缝隙进入车，或人为通入新风也会带来新风热负荷；(3)人体发出的汗热和湿热也会使得车温度升高，通过发动机室也会传人部分热量；(4)同时还有地面发射热传人等等，这些热量之和就构成了车身热负荷。12 车、外空调设计参数选择根据我国对轿车车空调设计要求，结合夏季普遍气候情况，车、外空调设计参数选择：室外干球温度35，相对湿度60，室空气流速O2ms，换气量：15 m3(h人)，车干球温度25，相对湿度55，大气压力=101325105 Pa，车的行驶速度40 kmh，漏风量：18 m3h(经验值)，地处北纬30。线，时间：6月中旬，晴天，车驾乘人员：5人。13基本控制方程 在汽车流场情况下，空气运动速度比较小，空气的密度变化不大，可近似为常数，因此车室空气可看作为三维不可压缩流场，雷诺数相对较小，但是仍然超过了临界雷诺数，因此流场掺流流模习处理，并且为稳态湍流M。同时不考虑瓣河影响，认为车室气密性良好。由于太FF，辐射和车室各固面之间的辐射存在，车为辐射透明介质。各基本控制方程表示如下：式(1)(6)中：表示平均速度；v表示平均速度分量；x表示坐标分量；T表示温度；k表示流体的传热系数；G表示比热容；S表示流体的热源与即由于粘性作用流体机械能转化为热能的部分；表示湍流动能；表示湍流动能耗散率；表示湍流有效粘性系数；表示空气密度，常温时为；表示湍动能有效扩散系数；表示湍动能粘性耗散率有效扩散系数。14车身材料参数汇总15 RNG湍流模型的选择 虽然湍流模型种类繁多，但是在室流场模拟和气流组织模拟方面应用较多的是RNG 湍流模型和零方程湍流模型，零方程湍流模型是最简单的湍流模型，它适用于几何形状和流动特征鄙相对简单的问题的求解，虽然该模型计算起来相对较快，效率较高，同时对计算机资源要求不高，但是如果流动有明显的分离和回流则该湍流模型就不能获得精确结果. 由于RNG 湍流模型可以更好地处理高应变率与流线弯曲程度较大的流动，所以在室流场模拟和气流组织方面有较高的准确性、因此本文采用湍流模型，并且在壁面附近的粘性层巾采用了壁面函数法。 RNG湍流模型是基于统计学原理对瞬态Navier- Stokes方程利用重整化群(Renormalization(Group)的数学方法推导出来的模型，通过在大尺度运动和修正的粘度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动系统地从控制方程中去除。 RNG湍流模型湍动能与耗散率方程与标准模型有相似的形式，但是RNG湍流模型通过修正湍动粘度，考虑了流动中的旋转情况. RNG 湍流模型各控制方程如下：式(7)(8)中：参数G。是由平均速度梯度引起的湍动能产生，G。是用于浮力影响引起的湍动能产生，此时为0；可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，此时为0；d。和d。分别是湍动能和耗散率的有效湍流普朗特数的倒数。湍流粘性系数：，其中：2传热计算2.1车身围护结构对流传热计算2.2车身围护结构太阳辐射传热2.3新风热负荷计算车外空气渗入热负荷计算2.4驾乘人员散热负荷计算2.5设备散热与照明产生的热负荷计算3 物理模型和网格划分本文以某三厢双轿车为研究对象(图1)，由于分析的重点是车身流场，发动机舱、后备箱以与车轮对车厢流场的模拟没有影响，同时为了减少网格划分时不必要的丁作，特对物理模型进行简化，对车头和车尾进行了较大处理。同时该车的工况为空载，即车室只有驾驶员一人，本文利用Unigraphcis4.0进行建模，简化后的物理模型如图2所示.网格生成技术是计算流体力学(CFD)的重要组成部分，在目前的CFD工作周期中，网格生成所需人力时间约占一个汁算任务全部人力时间的60%左右，并且CFD计算的精度在很大程度上依赖于所生成网格的质量，由此可见，网格生成技术是计算流体力学应用的关键技术之一。为了正确模拟复杂流场，在一定网格点的条件下，流动参数变化梯度较大的区域，需安排较多的网格点。也就是说对物性条件比较复杂或者比较关注的区域，网格要适当的加密。 本文网格划分是运用ANSYS CFX的前处理软件ICEM CFD 10.0完成的，采用Delaunay三角形方法在整个汁算流域面生成半结构化网格，用以提高边界层的计算精度。同时在驾驶员和座椅周用进行网格加密、同时为了更加精确地分析问题，本文采取了分区域划分网格的方法，将车厢部分成了四个区域：即车顶、车向前部与方向盘、座椅区域和车厢后部（图3）。4 轿车室冷负荷与送风量设计计算 汽车空调车室冷负荷计算的目的不仅在于可以为制冷装置的设计提供依据，而且还可以通过对构成冷负荷的各个部份的计算与分析探讨各因素对冷负荷的影响，以寻求减少空调冷负荷的方法与途径。41送风射流的一般规律 送风射流分为自由射流和受限射流，自由射流又分为等温自由射流和非等温自由射流。虽然轿车送风射流受到周围车体壁面的影响，但影响不是很大，为了简化起见，所以文中只讨论自由射流情况。 由直径为d的喷口以出流速度射入同温空间介质扩散，在不受周界表面限制的条件下，则形成图4所示的等温自由射流。由于射流边界与周围介质间的湍流动量交换，周围空气不断被卷人，射流不断扩大，因而射流短的速度场从射流中心开始逐渐向边界衰减并沿射程布点变化。结果，流量沿程增加，射流直径加大。但在各断面上的总动量保待不变。在射流理论中，将射流轴心速度保持不变的一段长度称为起始段，其后称为主体段。空调中常用的射流段为主体段对自由射流的规律性研究结果表明，射流主体段的参数变化与有关。为由极点至给定断面的距离；无量纲湍流系数，其数值的大小决定于风口形式并与射流的扩散角有关，即。因此，对不同的风口形式则有不同的值见表1。由表数值可见，值越大，则射流的扩散越快且速度衰减越大。4.2冷负荷与送风量的计算结果 针对空调轿车空调负荷的特殊性，并参考简明空调设计手册中对建筑物空调冷负荷计算的方法，最终选择谐波反应法对空调轿车进行夏季工况冷负荷计算，并计算出了相应空调送风量的大小，其中车冷负荷最大值出现在下午两时，最大负荷量为494529 W，送风量为0.10kgs。5 边界条件与离散求解 针对本文汽车流场而言，送风口边界条件为流量边界边界条件，其中每个出风口送风来量定为0.02kgs，同时送风口的湍流耗散率为05%。车体外壁取为第二类边界，即Neumann条件。利用Monte Carlo法计算通过车窗进入车的太阳辐射热，其中取驾驶员的散热量为80 w，太阳辐射照度为675 。车体壁平均传热系数为11 。同时车体壁为无滑移边界条件。出风口为压力边界条件，相对压力为0 本文采用有限体积法进行数值计算，通过取围绕节点的体积单元为控制体并在该控制体进行积分，最终求得物理量 。有限体积法导出的离散方程具有守恒特性，并且离散方程系数的物理意义明确。在汽车车室不可压缩空气流场的数值计算中，本文应刖SIMPLE算法求解在对流项的离散过程中，采用二阶迎风差分方法，这样可以更好地保持能量平衡。6 出风口位置对车室气流场的影响 为了弄清楚排风门位置的改变对空调轿车室气流场的影响，本文对以下情况进行了分析对比，即：前排两侧送风为方案一，如图3所示；前排两侧与中央同时送风为方案二如图3所示；后排中央送风为方案三，如图5a所示；后排两侧送风为方案四，如同5b所示。通过数值计算送风速度大小为3 ms，送风温度为293 K送风方向取为与水平面夹角为0，得到以上四种方案轿车室的空气速度场和温度场的分布，具体仿真结果如图6-图13所示：从仿真分析的分布图中，可以看出： 1)从不同工况的对比分析可知，在送风口尺寸和送风速度一样的情况下，明显两侧与中央送风工况下送风量大，采暖和制冷的效果都较好，同时更能促进车气流的混合， 2)从两侧与中央送风工况速度云图明显可以看出，在驾驶员和方向盘上方有一个明显的漩涡。在采暖和制冷时，这个漩涡可以有效地把空调送风口的新风和车厢其他位置的气流混合，加速采暖或者制冷。 3)由前排温度云图可看出，驾驶员和副驾驶附近的温度场大约比后排座位处的温度场低6左右，即在无后排送风口时，前排和后排座位处有明显的温差。 4)在前排送风口尺寸和送风速度一样的情况下，后排两侧送风口的布置比中央送风口布置方案好，车温度冷却速度要快，同时更能促进车气流的混合。 5)通过观察驾驶员附近的速度云图，可以看出驾驶员和副驾驶腰部靠近车门处的速度明显大于其他位置，同时驾驶员头部风速也较大。7 结论 本文通过图表法计算汽车空调热负荷即根据汽车室空间大小，车乘员人数，汽车发动机排量大小确定大致热负荷围。这种确定汽车热负荷的方式对于确定汽车所需制冷量以与制冷装置快速选型有着参考价值。表2是轿车制冷装置制冷量选择围。根据力帆LF06车型车身空间大小尺寸和设计乘员人数等综合因素，现确定此车型空调制冷量围在34894652kW 之间。同时通过利用计算鹿车力学方法对某轿车室流场进行了数值模拟、根据送风口布置的不同进行了四种工况的对比分析，得到了不同工况下速度和温度分布图，揭示了速度场和温度场在不同送风口布置下的分布规律。通过仿真结果表明：将原来置于后坐中央的风口取消，并置于两个车前座的下面，这样更加有效地组织了车室气流流动，冷量得到充分利用，气流组织更加合理，室气流场分布更趋均匀，避免了局部气流短路，减少了能量损失，有效地改善了车室的空气品质，提高了乘客的乘坐舒适性。参考文献;1 TohoKomoriya Analysis of Vehicle passenger compartment ventilation using experimental and numerical modelJSAE Transaction，1 989，8(1)：3363482 Han T.Three-dimensional Navjer-Stokes simulation forPassenger compartment coolingJInternational Journal of Vehicle Design，1989，10(2)：223-2353 Li C H，Han T，Koromilas C AEffects of HVAC design parameters on passenger thermal comfortJAutomotive Engineering International，l 992，2642684 宋思洪，晨，苟小龙空调车室气流流场和温度场的数值模 拟JJ计算机仿真，2004，2l(9)：167一1695 作斌计算流体力学与应用M：国防工业， 20036 傅德薰，马延文计算流体力学M：高等教育， 20047 韦强，闫兴旺汽车空调冷负计算研究J建筑大学学 报，J 998，10(20)：616524 / 24