某电动汽车乘员舱降温仿真优化及精度提升方法探究

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汽车的乘员舱是驾驶员和乘客唯一的活动空间,当空调和车窗处于关闭状态时,夏天烈日下行驶的汽车乘员舱内温度可达70℃,此温度远远超出人的舒适范围和忍受范围,因此保证乘员舱内环境的舒适性是各汽车厂商关注的焦点。电动汽车行驶里程的局限性,对空调系统功率的设计精度提出了更高的要求。而想要准确地设计空调系统的功率,就需要更加精确地了解乘员舱的降温效果。本文对某电动汽车乘员舱降温过程进行仿真和优化后,制造样件进行了环境舱试验,对比发现仿真结果与试验结果具有一定误差,为了减小误差对仿真方法进行了一定地改进以提升仿真精度。首先基于某电动汽车的CATIA三维模型,以乘员舱和空调系统为基础搭建仿真所需的模型。为了保证仿真的收敛和计算资源的充足,在CATIA模型基础上进行合理的模型简化:删除模型次要位置的细小特征以及使用多孔介质模型模拟空气滤清器芯体和蒸发器芯体。以空调箱进气口作为模型进口,乘员舱内循环出口作为模型出口。计算求解后获得空调箱、风管风口和乘员舱内的流场及温度场分布情况,并提取空调吹面出风口平均出风温度作为乘员舱降温效果的评判标准。其次对乘员舱降温仿真结果中主驾驶侧、中央侧、副驾驶侧出风口平均出风温度差异较大问题进行计算机辅助优化。选取各吹面风管横截面长度、宽度以及分流点的位置作为此次优化的设计变量,并通过网格变形软件Sculptor对7个设计变量进行参数化,以控制风管网格的变形。在ISIGHT优化平台中使用最优的拉丁方试验设计方法选取30个样本点作为优化方案。通过ISIGHT平台调用Sculptor软件根据优化方案调整网格后,将变形后网格导入STAR-CCM+模型中进行计算求解。计算完成后提取每个优化方案中各出风口的平均出风温度,各出风口温差绝对值之和最小的方案为最优方案。优化完成获得的优化方案8将主驾驶侧与中央侧的温差以及副驾驶侧与中央侧的温差之和从1.89℃降低到0.09℃。最后进行风管样件地制作,完成后在环境舱中进行相同边界条件的验证试验。将优化方案8的出风口平均温度仿真值与验证试验中的测量值进行对比,对比发现两者具有8.4%的平均误差。由于空调系统对电动汽车的行驶里程影响较大,尝试改进仿真方法以提高乘员舱降温仿真的精度。由于常规的三维流体仿真未考虑蒸发器的内部结构和换热情况,使用一维仿真软件KULI搭建空调箱内部空气侧和制冷剂侧换热模型,提取常规三维仿真(优化方案8)结果中蒸发器芯体入口处速度分布,将其导入KULI模型中作为边界条件。仿真后获得更准确的蒸发器芯体出口处速度分布和温度分布。然后建立新的三维仿真模型,模型中只包括蒸发器芯体后的空调箱部分、吹面风管风口以及乘员舱。将一维仿真结果中更准确的蒸发器芯体出口温度云图和速度云图作为新三维仿真的入口边界条件。最终获得一维/三维联立仿真的各出风口平均出风温度。对比试验结果和一维/三维联立仿真结果发现:联立仿真结果中三个出风口出风温度的平均误差仅为4.6%。得出本次一维/三维联立仿真较常规使用的三维仿真精度更高的结论。
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