摘 要

近年来全球环境与能源储备逐渐恶化，有关新能源的产业关注度逐渐提升，国家也出台了一系列相关政策。如今社会经济的高速发展，人们对于新能源汽车各方面的标准与规格也有了新的要求。汽车空调在提高汽车的舒适性方面起着极为重要的作用。如今常规发动机汽车空调系统在能耗及噪声方面有着较大弊端，本文主要研究适用于新能源汽车的空调系统，采用渐缩喷管替代冷却风行使进气和散热的功能扇。之后使用FLUENT软件对喷管模型进行流速与压强分析，建立喷管网格模型并进行仿真，证明其对于新能源汽车的适用性。

关键词：新能源汽车；空调系统；渐缩喷管；FLUENT

Abstract

In recent years, the global environment and energy reserves have gradually deteriorated, and the industry#39;s attention to new energy has gradually increased. The state has also issued a series of related policies. Nowadays, with the rapid development of the social economy, people have new requirements for the standards and specifications of all aspects of new energy vehicles. Automotive air conditioners play an extremely important role in improving the comfort of cars. Today#39;s conventional engine automotive air conditioning systems have major drawbacks in terms of energy consumption and noise. This paper mainly studies air conditioning systems that are suitable for new energy vehicles, and uses a tapered nozzle instead of a cooling fan to perform air intake and heat dissipation. Afterwards, the FLUENT software was used to analyze the flow velocity and pressure of the nozzle model, and the nozzle mesh model was established and simulated to prove its applicability to new energy vehicles.

Key Words：New energy vehicle；Air conditioning system；Tapered nozzle；FLUENT

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 新能源汽车的发展 1

1.2新能源汽车的分类 1

1.3 新能源汽车空调系统 2

1.3.1汽车用空调的功能和要求 2

1.3.2新能源汽车空调系统的分类 2

1.4新能源汽车空调系统的发展现状和趋势 3

1.4.1新能源汽车空调系统的现状 3

1.4.2国内外的研究现状 4

1.4.3新能源汽车空调系统发展的趋势 4

第2章新能源汽车空调压气机设计 5

2.1新能源汽车空调换气系统 5

2.2 对喷管的基本认识 5

2.2.1喷管的分类 5

2.2.2气体在喷管中的流动特性 6

2.2.3 渐缩喷管的流动特性 8

2.2.4可行方案的分析 9

2.3基本参数的确定 10

3.1FLUENT软件的介绍 13

3.2 喷管模型的建立 13

3.2.1利用GAMBIT建立计算模型 13

3.2.2利用FLUENT进行喷管内气体流动的仿真计算 19

3.3计算结果的分析 29

第4章总结与展望 30

4.1总结 30

4.2展望 30

参考文献 31

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 新能源汽车的发展

近年来全球能源与环境状况逐步恶化，各国将发展重点逐步转移到新能源相关产业，我国也十分重视全球发展趋势，从十二五期间逐步实现产业化起步开始，出台了一系列的鼓励政策和文件，逐步提高新能源产业在国民经济发展中的地位。在此基础上，新能源汽车出现高速发展阶段，并被提升到国家发展重要地位。近年来国内涌现了大批新能源汽车生产厂商，许多传统汽车制造公司也开始偏重于研究新能源汽车并推出许多新能源车型。现如今市场上新能源类汽车越来越多，但很多却是空有其名号，并没有显示出新能源汽车对于目前全球能源与环境现状改善的积极作用。目前国家也出台了相关文件与政策，整顿国内汽车市场，希望探索出一条适合市场发展规律的道路。

1.2新能源汽车的分类

新能源汽车是指除去只使用汽油、柴油等常规能源燃料的汽车之外的新型动力汽车。在汽车上能够实现其他能量与动能转化的装置有电机、热机和燃料电池三类，新能源汽车按照驱动能源类型可分为燃料电池汽车、纯电动汽车和混合动力汽车三类。

1. 燃料电池电动汽车

燃料电池电动车汽车（FCEV）主要是利用氢气等可燃气体作为燃料，通过燃料电池机组或燃料发动机作为能源转换装置，将氢气的化学能用电化学方式转化为电能来驱使电机运转并驱动汽车行驶，通常这类新能源汽车需配备高压电池组系统。

1. 纯电动汽车

纯电动汽车（BEV）是完全不使用化学燃料作为动力源，利用蓄电池储存电能来驱动电机，进而驱动汽车行驶的混合动力汽车

（3） 混合动力汽车

混合动力汽车（HEV）是指同时使用化学燃料和电能作为动力源，用力改善低速行驶时汽车的动力输出和能源消耗问题。根据所使用的化学燃料的不同，混合动力汽车又可以分为柴油和汽油混动汽车两类。

1.3 新能源汽车空调系统

1.3.1汽车用空调的功能和要求

在汽车的发展过程中总结出汽车的主要功能有四种：

（1）空调系统的制冷、采暖功能:

通过对进入汽车车室的空气进行冷却或加热，保证车内的温度在一个较为合适的范围的功能。

（2）空调系统的湿度控制功能:

用以维持车室内较为舒适的干燥度的功能，通常将车内湿度保持在50%左右。

（3）空调系统的通风换气和空气过滤功能:

用于除去进入车室空气中的灰尘和颗粒物，保持车内空气的新鲜程度。

（4）空调系统的除霜除雾功能:

利用空调的外循环清楚前挡风玻璃及两侧车窗因温度差所产生的霜或雾，为驾驶员和乘客提供清晰的视野，以保证驾驶和乘车安全。

现代人们对于汽车的需求越来越高，同时对汽车的要去也更高，新能源汽车除了要满足上述常规动力汽车所必要的功能之外，还需要技术的发展和创新，调整动力改变对汽车所带来的影响，以满足人们更高的要求。

1.3.2新能源汽车空调系统的分类

常规动力的汽车充分利用车内有限的空间，采用制冷、取暖和通风换气一体式的空调系统，即为汽车空调器的总成，是如今汽车通用的空调系统。由于新能源汽车动力源的改变，它对汽车空调系统也造成了很多方面的影响，使得汽车的能源使用效率降低。因此新能源汽车的一个发展目标就是提高能源利用效率，同时改进汽车空调系统，满足新能源汽车的发展要求。目前来说几类新能源汽车对应的空调系统略有差异：

（1）燃料电池电动汽车的空调系统

该类汽车将燃料的化学能转化为电能，其弊端在于电池的能量转换效率低，余热消耗量大，导致该类汽车的能耗较大。因此可以采用吸收式制冷系统利用余温余热，但该系统热力系数偏低，传热性能较差，制冷量也随之下降，因此还需进一步的研究完善。

（2）纯电动汽车的空调系统：

作为纯电动汽车，它没有燃料的化学能作为动力来源，因此也不能利用内燃机运转过程中产生的余热来作为空调加热装置的热源。该类汽车空调的制冷和加热装置的能量都来自于高压电池，因此其工作效率较低，但从另一方面来说，纯电动汽车无需用空调系统对发动机构件进行冷却，因此无需大功率的进气风扇以及复杂的空调系统构造。

对于其制冷功能可用电动压缩机代替传统的发动机驱动压缩机，其匹配参数以及转速控制能需改善以提高能源利用效率，但这类汽车的最大弊端是空调的制热过程。纯电动汽车没有发动机为空调提供余热和动力，同时电池的发热量很小，电动机的余热难以回收利用，需要用高压电池给空调系统加热。加热方法包括利用高压电来直接加热空气，或者是加热冷却液，再对空气进行加热，两种方法都有其弊端。因此需要更多的实验研究来得到一种更为合适的制热方法。

（3）混合动力汽车空调系统：

混合动力汽车与其他类别的汽车的区别在于其采用的是混合动力驱动，是由燃油发动机和电动机共同或独自驱动汽车行驶，其动力匹配装置与传统内燃机汽车相比差别不大，因此该类汽车的空调系统与传统内燃机汽车空调系统基本相似。当压缩机的动力来源改变时，只需要改变相应的参数配置来保证空调系统的正常运行。

混合动力驱动的汽车通过高压电池产生的能量驱动压缩机制冷，因此当发动机停止运转时电动压缩机仍可运行，但受到高压电池容量和电压的限制其功率不会很高，因此在大多数情况下需要用机械和电力双模式压缩机制冷。

1.4新能源汽车空调系统的发展现状和趋势

1.4.1新能源汽车空调系统的现状

常规动力汽车空调制冷系统主要由压缩机、冷凝器、储液器、膨胀阀、蒸发器、风机及管路与控制部件等组成，他们的共同特点是由发动机提供动力，消耗约20%的发动机功率，但其转化效率却低于50%，因此对空调系统的改进是十分必要的。新能源汽车空调系统与传统内燃机汽车有所差异，其制冷系统主要包括电动压缩机及控制器、冷凝器、管路系统、室内外温度传感器、光传感器、主机、膨胀阀、控制器等部件组成。在制热系统方面主要采用电热管加热和PTC加热两种模式^[7]。国内多数车企直接利用蓄电池带动电动压缩机工作，虽然这种方法具有结构简单、制热效率高、体积小等优点，但这样会严重损耗汽车的续航里程，同时其加热效率不高，这些明显的缺陷制约着新能源汽车在我国的发展，尤其是在北方地区。冬季汽车的空调制热系统会损耗汽车50%左右的续航里程，因此新能源汽车在我国的发展和普及还有很长的路要走。

1.4.2国内外的研究现状

随着新能源汽车的快速发展，汽车空调系统也相应的向着节能、环保、智能化与轻量化的方向发展。目前国内外的研究主要集中在电动压缩机研发、热泵循环技术、电池热管理技术、集成控制系统、环保型制冷剂等五个方面，目前这些技术主要研发国家是美国、日本、中国和法国等国。1）电动压缩机的研发，国内主要是由上海三电贝洱和奥特佳进行研发，国外的研发公司主要有日本的三电、电装、松下以及韩国的翰昂等。在该方面国内的技术与国外还相差较大。2）热泵循环技术加上辅助PTC，目前国内外都在进行制冷性能、低温制冷量和除霜方面的研究。3）电池热管理技术的发展趋势从传统的风扇冷却向直冷、中冷器 水冷等方向转变，在国外主要有日本、法国、美国、德国等在进行研发，国内外在技术方面差距不大。4）在集成控制系统方面国内外的差距主要在于软件系统和控制逻辑方面。5）环保型制冷剂，目前国内有企业与上海交通大学合作研究制冷剂的替代应用^[12]。

1.4.3新能源汽车空调系统发展的趋势

在未来新能源汽车需要加大对清洁能源的使用占比，同时使用效率也应越来越高。而作为未来新能源主要的能源消耗系统之一的空调系统，也要随着技术的不断改进趋近于新的发展趋势。新能源汽车的发展也应集中在高效控制以及节能环保等方面。常规动力汽车空调系统采用ECU电控系统，而新能源汽车采用的是电动压缩机，在控制领域上可以参考家用空调“变频控制”的模式，市场上已经出现了较为成熟的交流变频电动压缩机的技术。另一项较为适用的技术为热泵技术，有效利用空调制冷时的热量损失，不仅能提高效率，也可以提升汽车的续航里程。随着研发的改进与技术的升级，变频与热泵技术都有望得到应用。

第2章新能源汽车空调压气机设计

2.1新能源汽车空调换气系统

市场上常规发动机汽车的空调系统由制冷装置、取暖装置、通风换气装置以及相对应的风路管道和电控线路等组成。通常来说汽车空调系统的进气装置不仅用于制冷、加热装置的散热，同时也用于发动机的冷却。现如今汽车外形不断变化，需要扩大汽车内部空间并减小发动机舱，而且汽车的行驶环境变化较大，从连续快速的行驶到持续缓速或怠速状态，对于汽车冷却系统的功能有着严格要求。

近年来随着新能源汽车的快速发展，电机在该类汽车上的应用也更为普遍，除了混合电动汽车是采用电池和发动机共同驱动汽车行驶之外，燃料电池汽车和纯电动汽车都完全采用电动机作为汽车新的动力来源，因此传统内燃机汽车散热系统的结构以及参数也要随着动力源的改变而更改。与发动机相比电动机的发热以及噪声都降至较低的水平，同时也可以减少传统汽车用于散热以及空调系统的风扇的驱动功率，但同时风扇的噪声效果将会放大，并且由于没有发动机的驱动，风扇的运行将会消耗电动机的功率，使汽车的行驶效率降低，本文将从实际情况考虑选出更适合于新能源汽车空调系统的进气散热装置。

2.2 对喷管的基本认识

2.2.1喷管的分类

喷管是指通过改变管道内壁的几何形状来加速气体流的一类管道，它广泛应用于汽轮机等动力装置中，在汽轮机中加装喷管，利用高速气体推动叶片做功，同时也可用于空调等装置中。喷管内的气体在流道内流动时的状态变化情况与喷管的几何参数如喷管界面变化、两端端面截面积以及喷管的长度有着密切的关系。本章节就变界面管道内气体的流动状态与喷管的几何参数和边界条件之间的关系进行分析，证明喷管应用于新能源汽车空调系统的可行性。

按照喷管截面面积变化的不同方式，一般来说可将喷管分为渐缩，缩放和渐扩喷三类。喷管的轴向长度较短，气体流速较高，气体在喷管内的加速时间极短，因

此我们可以认为喷管内的气体流动过程是可逆的绝热流动过程，由此可列出一维可逆稳定流动的基本方程。

2.2.2气体在喷管中的流动特性

一元等熵气流作定常运动时，若流动管道的截面积发生变化，则气体流速必然会发生变化，同时压强、气体密度和气体温度也会随之变化。我们可以运用连续性方程、能量方程和运动方程来研究他们之间的关系。设定管路轴线为x轴，管路截面积在x轴方向变化，气体流动参数为x的函数。一元定常气体流动连续性方程的积分形式为rho;vA=常数。当x有一个增量dx时，密度、速度和面积的增量为drho;、dv、dA。将连续性方程两边取对数，再求微分得

（2.1）

这是连续性方程的微分形式，气体的运动方程为

即

（2.2）

首先研究密度的变化

（2.3）

气体是等熵流动，压强对密度的变化率为声速的平方，即

由（2）我们可以得到

代入到（1）得

		（2.4）
		（2.5）

由运动方程式（2）可以导出压强与面积的关系式，即

（2.6）

由式（3）得

（2.7）

将状态方程取对数在求微分得

（2.8）

式中：p-----气体压强

-----比热比

v-----截面面积

-----气体密度

Ma-----气体马赫数

上述公式就是面积的变化与速度、压强、密度、温度的变化之间的关系，并将其分为三种情况进行论述。

对于亚音速气体流动，Malt;1，由公式（3）可以看出，和dA符号相反，当面积沿着流程减小时，即dAlt;0时， dvgt;0。也就是说，亚音速气流在渐缩喷管中作加速流动，在扩散喷管中作减速流动。同时，由公式（4）、（5）、（6）中可看出，亚音速气流在收缩喷管中流动时，密度，温度和压强沿着流程减小，而在扩散喷管中沿着流程增加。

对于超音速流动来说，Magt;1，此时dv和dA同号。也就是说，超音速气流在收缩喷管中作减速流动，在扩散喷管中作加速流动。由此可见，亚音速气流和超音速气流在变截面积管道中的流动有着本质上的区别，由表2-1可看出这两种流动中流动速度和截面积之间的变化关系。同时也可以看出来，亚音速气流的密度、温度和压强在收缩喷管中是沿着流程减小的，在扩散喷管中则沿着流程增大。

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