3.1 Анализ результатов расчёта штатного отопителя
В данной главе приведены результаты численного исследования течения воздуха в системе вентиляции и отопления автомобиля. При проведении исследований варьируемым параметром являются скорость и интенсивность турбулентности на входной границе (режим работы нагнетателя).
Расчет проводился для режима отопления (весь поток направлен через радиатор), для трех значений скорости Ui = 2,51 м/с; U2 = 3,75 м/с; из = 4,51 м/с.Сравнительный анализ влияния граничных условий на структуру и параметры потока позволяет отметить следующее.
После входа весь поток направляется на радиатор, что приводит к повороту потока. Поэтому структура потока характеризуется явно выраженной неравномерностью при обтекании радиатора, что подтверждается векторными полями скоростей, на всех режимах работы нагнетателя (рис 3.1). После прохождения радиатора структура течения выравнивается, но при этом происходит снижение модуля скорости с 3 м/с до 1,5 м/с.
На рис. 3.2 представлено распределение полного давления на входе, перед радиатором, по радиатору и после него в плоскости симметрии радиатора XOZ для трех режимов работы турбинного нагнетателя.
Среди требований, предъявляемых к радиатору - обеспечение необходимого аэродинамического сопротивления. На рис. 3.3, 3.4 представлены результаты расчета перепада давления на радиаторе в зависимости от скорости поступающего в отопитель воздуха (режима работы турбинного нагнетателя). Как видно из графика на рис. 3.4, расчетные данные аэродинамического сопротивления не превышают требований предъявляемых к автомобильным радиаторам АРр < ДРТ.
Закономерное выравнивание профиля скорости после прохождения радиатора показано на рис. 3.5. Как видно из рис. 3.5 после радиатора происходит деление потока на относительно равные части. Примерно половина потока направляется в нижнюю часть корпуса (на дефлекторы, подающие воздух в ноги), остальная часть направлена на сопла обдува ветрового стекла, а так же центральные и боковые дефлекторы панели приборов.
Рис.
3.1 Структура потока на входе в отопитель, перед радиатором, радиаторе и после радиатора, при скоростях потока на входе (интенсивность турбулентности равняется 10%): a) U| = 2,51м/с; б) и2 = 3,75 м/с;в) ui = 4,51 м/с
Расчеты показали, что в указанных на рис. 3.6 областях образуются отрывные зоны. Анализ показал, что независимо от величины скорости и интенсивности турбулентности на входе,
количество, расположение и размеры отрывных зон не претерпевают значительного изменения (рис. 3.7).
/
в)
Рис. 3.2 Поле полного давления перед радиатором, на радиаторе и после него в сечении по плоскости симметрии XOZ (интенсивность турбулентности равняется 10%): a) U| ~ 2,51 м/с; б) и2 = 3,75 м/с;
в) и3 = 4,51 м/с IIJ4
ДР = 89.5 Па a = 461.097 кг/м3 Р = 4.452 кг/м4
Я1Л11Л Met
Itl*. МЛ 1СХМ № (ОСА МО» UV
РИС. 3.3 Перепад давления на радиаторе для второго режима работы турбинного нагнетателя (интенсивность турбулентности равняется 10%)
160
я
С 140
X 120
z
® 100
5 80
5 60 ее
С 40 а>
g" 20 с
0
I II III
режим работы отопителя тральной части отопителя vi
Ри
V&OOTvummtmc MS ITT«. «* tocMteu uv CJfJK Oi UN I» Ml in IW IM >«> Mi im im in* in Ml UN ЦП» r значение Рис. 3.4 Перепад давления на радиаторе в зависимости от режима работы отопителя (I = 0,1): АРр - рассчитанное давление, ДРт - требуемое Зоны отрыва потока
с. j .j гшделенни нотка ь
Расположение и размеры отрывных областей дают информацию о внесении корректив в форму поперечного сечения воздуховодов с целью уменьшения потерь давления по их длине.
Результаты расчета потерь давления по различным воздуховодам в зависимости от режима работы нагнетателя представлены на рис.3.8.Рис. 3.6 Зоны отрыва в нижней части отопителя с сечениях по плоскостям XOY и XOZ в трех режимах работы отопителя (интенсивность турбулентности равняется 10%): a) Ui - 2,51м/с; б) lb = 3,75 м/с;
Mpgjk'' <
)Mm>VMtmmi
ГОД»
б) в) Uj - 4,51 м/с S §
О 2 3 2 а
о я
"-tr
о
п
45 40 35
30 25 20 15 10 5 0
режим работы отопителя
Рис.3.7 Размер отрывной зоны в зависимости от режима работы нагнетателя (интенсивность турбулентности равняется 10%) олл
режим работы
Рис.3.8 Потерн давления в трактах отопителя (I = 0,1): ДРл -на левом дефлекторе; ДР„ - на правом дефлекторе; ДР„ -на центральном дефлекторе; ДР„„ - на центральном нижнем дефлекторе; ДР,„, - на левом нижнем дефлекторе; ДРПИ - на правом нижнем дефлекторе
Одним из наиболее важных, с практической точки зрения, результатов расчета является пространственное распределение скоростей воздуха в выходных сечениях дефлекторов системы отопления легкового автомобиля. Представленные на рис. 3.9 пространственные профили скорости в дефлекторах обдува ветрового стекла показывают явно выраженную неравномерность. Интегральные значения скоростей в выходных сечениях в зависимости от режима работы нагнетателя представлены в табл. 3.1
Для оценки неравномерности распределения профиля скорости в плоскости симметрии выходных сечений левого и правого дефлекторов обдува лобового стекла введен коэффициент неравномерности скорости X = Vmax/Vcp. Для правого дефлектора коэффициент неравномерности на разных режимах работы отопителя составляет величину Xi = 2,89; Xi\ = 2,94 ; Xjii = 2,92; для левого ~/j - 3,46; Хи - 3,45 ; yjw - 3,46. Полученные результаты позволяют сделать качественный вывод о более медленном оттаивании
лобового стекла в зимний период на автомобиле со стороны водителя, что ухудшает обзорность и отрицательно влияет на пассивную безопасность при управлении автомобилем, которая регламентируется требованиями стандарта S-103.
Этот качественный вывод подтверждают результаты распределения кинетической энергии турбулентности и скорости диссипации кинетической энергии в выходных сечениях левого и правого дефлекторов обдува ветрового стекла (рис. 3.10, 3.11), рассчитанные для трех режимов работы нагнетателя с интенсивностью турбулентности на входе, соответственно, 5%, 10% и 15%.Таблица 3.1 - Значение скорости на выходе из дефлекторов Режим работы системы отопления и вентиляции Скорость воздуха на выходе из дефлекторов,
м/с Производительность системы отопления и вентиляции, в ноги в панели приборов вод. пас. лев. цент, лев. цент, прав. прав. I 3,25 2,40 2,06 1,83 1,83 2,12 200 II 3,76 2,84 3,07 2,56 2,56 2,84 300 III 4,77 4,21 3,7 3,05 3,05 3,29 365 Исследовано изменение кинетической энергии турбулентности и скорости диссипации по длине тракта отопителя. Результаты представлены на рис. 3.12, 3.13. Как следует из представленных результатов распределение кинетической энергии турбулентности к и скорости диссипации кинетической энергии е по корпусу отопителя не однородно. На входе значение кинетической энергии турбулентности и скорости её диссипации составляет к=0,486 м2/с2 и е=20,93 м2/с3,
<Ч я я
вблизи радиатора - к=0,001 м /с и ?=0,0001 м /с . Это объясняется аэродинамическим сопротивлением радиатора, которое ведет к снижению скорости потока. После прохождения радиатора скорость потока увеличивается, что ведет к росту кинетической энергии турбулентности и скорости её диссипации. левый
правый
а) •L V *
m Efs.
б) Ж
ЙГ Ll —
дч В)
О 50 100 150 200 250 300 длина дефлектора, мм 50 100 150 200 250 300 длина дефлектора.мм из
U2
U2
¦U1
из
•U1 Г)
Рис.3.9 Профили скорости на выходе из дефлекторов обдува ветрового стекла на трех режимах работы отопителя: а) первый режим работы; б) второй режим работы; в) третий режим работы; г) скорость и в плоскости симметрии сечения дефлекторов для грех режимов работы вентилятора левый дефлектор правый дефлектор
б)
I
s
I
lewwniAwc**» 1м»р*и»
щцИ> 1»ютчооич/ • практически
В)
гисо.ш гаспреде.тение кинетическои энергии туроулентности в дефлекторах обдува ветрового стекла: а) первый режим работы (I = 0,05); б) второй режим работы (I = 0,1); в) третий режим работы (I = 0,15)
а)
правый дефлектор
левый дефлектор
б) В
Рис.3.11 Распределение скорости диссипации кинетической энергии турбулентности в дефлекторах обдува ветрового стекла: а)первый режим работы (I = 0,05); б) второй режим работы (I = 0,1); в) третий режим работы (I = 0,15)
рад.
рад.Рис.3.12 Распределения кинетической энергии турбулентности по отопителю
к, м2/с2
е, м2/с3 N2( ,93 Г \L/ .12 I / V ,83 Г / / V' JZ. / Вход перед после выход
рад. рад.
Р
не.3.13 Распределения скорости диссипации кинетической энергии по отопителю
На основании анализа результатов численных расчетов можно отметить следующее.
1. В нижней части отопителя образуются циркуляционные зоны воздушного потока, при этом малые в размерах диффузоры обеспечивают достаточную скорость на выходах, но они расположены таким образом, что
не позволяет им в достаточной мере вентилировать пространство в зоне ног водителя и переднего пассажира. Поэтому геометрия и расположение дефлекторов направляющих поток в нижнюю часть салона нуждаются в доработке.
Рекомендуется изменить расположение радиатора (вертикальное на горизонтальное) что позволит более равномерно распределить воздушный поток перед радиатором (повысит теплоотдачу радиатора), выиграть в пространстве для размещения испарителя и более равномерно распределить воздушный поток после радиатора.
Для повышения эффективности обдува ветрового стекла и обеспечения равномерности (режимы обдува стекла крайне неравномерны % ~ 2,9; % ~ 3,5) распределения потока воздуха через плоские (щелевые) насадки воздуховода, необходимо изменить конструкцию центрального воздуховода системы отопления.