[热管理] 电动汽车HVAC模块制热模式风量分配优化研究:提升驾乘舒适性的关键技术

问题背景与研究必要性

在电动汽车空调系统中，制热吹脚模式是冬季常用功能，但实际测试中发现，该模式下6个吹脚出风口的风量分配极不均匀，中间出风口风量大，两侧出风口风量小，这种不均匀性直接导致乘客脚部区域温度差异大，严重影响舒适体验。课题组在对某款电动汽车HVAC模块进行风量测试时，发现制热吹脚模式下各出风口风量分配极不均匀，无法满足乘员舱舒适性要求，亟需开展针对性研究。

研究方法与模型建立

为准确分析HVAC模块内部流场特性，课题组首先采用三维激光扫描仪获取空调箱整体数模，建立吹脚模式下的数值模型。考虑到计算效率与精度的平衡，对微通道换热器等内部结构进行了合理简化：引入多孔介质理论，将蒸发器、冷凝器和PTC电加热器简化为具有特定阻力系数的多孔区域，同时采用多参考系模型（MRF）模拟鼓风机的旋转效果。

在边界条件设置上，鼓风机入口采用压力入口（静压0Pa），6个出风口设置为压力出口，与大气相通。针对换热器部件，通过实验测得的压降与风速关系曲线，计算出相应的黏性阻力系数和惯性阻力系数，确保了模型的可靠性。

仿真与实验验证

课题组进行了4组不同鼓风机转速（2140、2804、3474、4053 r/min）的数值模拟，与实验结果对比后，发现仿真与实验的风量值最大误差仅为9%，在工程合理误差范围内，验证了模型的可靠性。这一结果表明，多孔介质理论应用于微通道换热器简化处理以及MRF模型用于模拟鼓风机是合理的。

通过分析原始模型，发现风量分配不均匀的主要原因在于吹脚风道入口处的结构设计不合理。当气流进入吹脚风道时，由于180°拐角和风门限位板的影响，产生了明显的偏流和涡旋，导致气流在风道底部垂直撞击，形成回流，进而影响了各出风口的风量分配。特别是中间区域（出风口3、4、5）风量明显偏大，而两侧（出风口1、2、6）风量偏小。

结构优化与效果验证

基于上述分析，课题组对吹脚风道底部结构进行了针对性优化，在吹脚风道底部中间处向左右两侧进行倒圆角处理。这一改进使气流能够平顺地分成左右两股，避免了气流的垂直撞击和回流现象，使气流在风道内的流动更加均匀，减少了涡旋的产生。

为验证优化效果，课题组对优化后的模型进行了数值模拟，并通过实验测试对比了优化前后的风量分配情况。结果显示，优化后的HVAC模块在相同鼓风机转速下，总进风量有所提升，表明气流在内部流动阻力减小，鼓风机效率提高。更重要的是，风量分配的均匀性得到了显著改善。

在评估风量分配均匀性时，课题组引入了两个关键指标：第δ个吹脚风道的风量分配不均匀度Eδ和总的风量分配不均匀度S。Eδ表示第δ个出风口风量与平均风量的偏差，S则反映了所有出风口风量与平均风量的离散程度。

优化前后对比显示，当鼓风机转速为2140 r/min时，优化前吹脚出风口风量分配的最大不均匀度为23.8%，优化后降至9.3%；当转速为4053 r/min时，优化前为60.7%，优化后降至13.7%。总体来看，优化后的不均匀度Eδ减小了2%～57%，总不均匀度S降低了5.2%～34.3%。

风量分配规律分析

研究还发现，低转速（2140 r/min）下，空调箱吹脚出风口的流量易受鼓风机转速影响，转速越大，风量分配均匀度越差；而高转速（2804、3474和4053 r/min）下，各吹脚出风口的流量分配主要受空调箱结构影响，转速的影响相对较小。这一发现为HVAC系统在不同工况下的优化设计提供了重要依据。