Анализ характеристик струйного распределителя системы кондиционирования воздуха автомобиля

В статье представлены обобщенные результаты экспериментальных исследований, нацеленных на анализ характеристик струйного распределителя системы кондиционирования воздуха автомобиля. Показано применение численных методов для моделирования режимов кондиционирования в салоне автомобиля. Разработан алгоритм решения уравнений модели и создана программа, реализующая описанный алгоритм. Разработан адаптивный алгоритм работы системы автоматического кондиционирования. Разработана структурная схема системы автоматического кондиционирования для автомобиля.

Ключевые слова: система кондиционирования, анализ, струйный распределитель, автомобиль

Введение

Кондиционирование обеспечивает автоматическое поддерживание необходимых кондиций воздушной среды в салоне автомобиля. Кондиция воздуха включает в себя следующие параметры: температуру, влажность, скорость движения, чистоту, содержание запахов, давление, газовый состав и ионный состав [1]. Автомобильные СКВ должны обеспечить наиболее благоприятные условия для водителя и пассажиров. Работоспособность и самочувствие человека в значительной мере определяются тепловым балансом его организма и наиболее оптимальны в условиях окружающей воздушной среды на уровне теплового комфорта.

Анализ характеристик струйного распределителя.

Перспективным направлением развития распределительных устройств СКВ, предназначенных для изменения направления потока рабочей среды в зависимости от внешнего управляющего воздействия, является применение струйных элементов, использующих аэро – и гидродинамические явления, в частности, эффект Коанда [2].

Рассмотрим задачу [3] определения расхода среды Q в выходном канале от избыточного давления P_o в камере, связанной с входом в струйный элемент распределителя. Схема распространения струи при котором изменяется ее течение от направления вдоль оси OY на входе к направлению течения вдоль оси OX на выходе струйного элемента, рис. 1, а.

Микроклимат для водителя и каждого из пассажиров салона автомобиля программируется, посредством заслонок, которые регулируют потоки нагретого и охлажденного воздуха на выходе кондиционера, направляя эти потоки к дефлекторам в задней консоли рис.1,б. Степень открытия каждой заслонки определяет собой расход воздуха через проходное сечение, а также охлажденного и нагретого воздуха в смеси, поступающей в салон рис.1,б, где 1 – заслонка воздухоприемника; 2 – рециркуляционная заслонка; 3 – заслонка для регулирования обогрева стекол; 4 – передняя заслонка для регулирования подачи нагретого воздуха; 5 – передняя заслонка для подачи охлажденного воздуха; 6 – правая и левая заслонка для регулирования подачи охлажденного воздуха; 7 – правая и левая заслонка для регулирования подачи нагретого воздуха; 8 – теплообменник; 9 – испаритель.

Рис. 1. Схема течения в струйном элементе: а – распределительное устройство
для изменения направления потока; б – регулирование потока нагретого и охлажденного воздуха на выходе

В предлагаемой модели (рис.1) область рассматривается как область обратного течения Прямые y₀ = kx и y₁ = (c + k)x являются границами областей с постоянными продольными скоростями течения U₀ U₁ соответственно. Внутри области пограничного слоя происходит изменение направления осредненного движения жидкости втекающей через границу y₁(x), на обратное. При y = 0 продольная скорость потока отсутствует (U = 0). Подсасывание жидкости к струе обусловлено наличием постоянных поперечных скоростей в зоне и в зоне

На рис. 2 рассматривается система кондиционирования воздуха автомобиля, где 1 – кондиционер; 2 – воздухораспределительный канал; 3 – воздухораспределительные устройства, обслуживающие боковые дефлекторы; 4 – правый задний воздухораспределитель; 5 – дефлекторы в задней консоли; 6 – левый задний воздухораспределитель; 7, 8 – дефлекторы в средней стойке кузова; 9 – дефлекторы для обогрева лобового стекла.

Рис. 2. Основные воздухораспределительные устройства в автомобиле

В предлагаемой модели (рис.2) область рассматривается как область обратного течения Прямые y₀=kx и y₁=(c+k)x являются границами областей с постоянными продольными скоростями течения U₀ U₁ соответственно. Внутри области пограничного слоя происходит изменение направления осредненного движения жидкости втекающей через границу y₁(x), на обратное. При y=0 продольная скорость потока отсутствует (U=0). Подсасывание жидкости к струе обусловлено наличием постоянных поперечных скоростей в зоне и в зоне Предполагаем, как обычно делается в теории свободной струи, статическое давление в области течения постоянным, а жидкость несжимаемой.

Для описания течения в струйном элементе воспользуемся интегральной формой уравнений неразрывности и количества движения в проекциях на оси OX и OY, а также известной [4] формой профиля продольной скорости в пограничном слое. Имеем:

где – безразмерная ордината в пограничном слое; с – постоянная.

Относительно расхода рабочей среды на входе и выходе из струйного элемента

соответственно полагаем:

где – площади входного и выходного щелевых каналов соответственно; a, b – эмпирические постоянные.

Анализ системы (1) – (5) позволил установить следующую связь расхода Q в выходном канале с избыточным давлением P₀ на входе:

где

Воспользовавшись нулевым условием для продольной скорости пограничного слоя (U = 0 при y = 0), получим уравнение для определения m, входящего в (5). Имеем:

Решение (7) m = –1,164 позволяет переписать (6) в следующем виде:

Гидродинамические характеристики в форме (8) содержат три эмпирических параметра – a, b, с значения которых зависит от конструкции струйного элемента распределителя. Она была применена при исследовании гидрораспределителя для давлений Параметры струйного элемента имели следующие значения:

Результаты исследования характеристик в сравнении с зависимостью (8) представлены в таблице 1.

Таблица 1

Графики зависимостей d (0,33-2,0) G по данным в табл.1, P (0,26-0,55), приведен на рис. 3.

Рис. 3. Трехмерные графики зависимостей: а – экспериментальной характеристики;
б – расчетной характеристики

Предложенная математическая модель представляет интерес при решении задачи параметрического анализа систем рассматриваемого типа, а полученные результаты могут быть использованы при системном моделировании ТКВ (рис.16).

Разработка алгоритма системы автоматического кондиционирования.

Степень открытия заслонки воздушного смесителя устанавливается по заданным характеристикам [5], соответствующим вычисленной температуре воздуха на выпуске, рис.4.

Рис. 4. Алгоритм управления климат – контролем автомобиля

Регулирование температуры воздуха (от холодного до теплого) обеспечивается изменением состава смеси из охлажденного и нагретого потоков воздуха.

Спроектирована микроконтроллерная система управления системой кондиционирования воздуха автомобиля, структурная схема которой представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структура ЭБУ автоматического кондиционирования

Исследование процессов охлаждения (нагрева) салона автомобиля

Важной задачей проектирования [6] является исследование процесса охлаждения (нагрева) салона автомобиля и влияния происходящих процессов на водителя и пассажиров, которое было проведено с использованием комплекса программ STAR-CCM+, рис.6.

Рис. 6. Демонстрация пересечений свободных граней

Комплекс предназначен для решения задач механики сплошных сред и обеспечивает небывалую точность, надежность и гибкость при решении задач вычислительной механики сплошных сред. Проведено моделирование процессов кондиционирования в выбранной программе STAR-CCM+. Так, например человек в модели разбит на три части – голова и непокрытая часть рук, тело одетое в одежду, и низ ног, а для каждой части используется своя функция задания температуры, рис.7.

Рис. 7. Модель исследования процесса охлаждения (нагрева)

Заключение:

• показано применение численных методов для моделирования режимов кондиционирования в салоне автомобиля;

• разработан алгоритм решения уравнений модели и создана программа реализующая описанный алгоритм.

• предложена модель, описывающая движение воздуха в салоне автомобиля, учитывающая влияние тепла на движение потоков воздуха.

• проведен выбор программы и разработан алгоритм исследования процессов кондиционирования;

• спроектирована микроконтроллерная СУ процессом кондиционирования воздуха автомобиля.

Литература:

1. Ясинский Ф.Н., Кокорин А.С. Математическое моделирование процессов вентиляции и отопления в больших производственных, культурных и спортивных помещениях. - Вестник ИГЭУ, вып. 3, 2010.

2. Трескунов С.Л., Хлыст В.А. Дискреные элементы струйной автоматики / Цетр. НИИ информации и технико экономических исследований приборостроения, средств автоматизации и систем управления..–М., 1969.– 56с.

3. Золотарев Ю.Н. Мурзинов В.Л. Гидродинамические характеристики распределителя с эффектом Коанда // Теоретические основы проектирования технолог. Систем и оборудования автоматизирован. производств: Межвуз. Сб. научн. тр. – Воронеж, ВГТА, 1988.–с.76–78.

4. Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха на предприятиях пищевой промышленности. / Штокман Е.А., и др. / Учебное пособие.– М.: АСБ (Ассоциация строительных вузов), 2001г., 688 с.

5. Аверкова О.А. Вычислительный эксперимент в аэродинамике вентиляции. Белгород: Изд-во БГТУ, 2011, 110 с.

6. Числительные методы и параллельные вычисления для задач механики, газа и плазмы: Учеб. Пособие/Э.Ф. Балаев, Н.В. Нуждин, В.В. Пекунов и др.; ИГЭУ – 2003