基于参数化消声器结构的汽车HVAC压缩机膨胀腔流场稳定性改进数值研究

《Modelling》：Numerical Study on Flow Stability Improvement of an Automotive HVAC Compressor’s Expansion Chamber Using Parametric Mufflers

　　

制冷剂的压力脉动与质量流量波动是汽车供暖通风与空气调节（HVAC）系统中流侧诱发噪声与振动的主要激励源，因此压缩机内部流场稳定性成为关键设计问题。研究人员基于量产汽车HVAC压缩机膨胀腔的数值模型分析工质流动特性，引入可参数化配置的消声结构，并在其余参数固定条件下逐一对几何参数进行变量分析以评估其对流场的影响。在单消声器模型中，最优模型相较原模型使压力脉动降低34.32%，质量流量波动降低53.31%。随后研究人员提出双消声结构以进一步提升流场稳定性，对比25种模型后发现，以最小压力脉动为准则的最优结构使压力脉动与质量流量波动分别降低49.73%与61.58%；以最小质量流量波动为准则的结构则分别降低46.22%与61.63%，二者差异可能源于仿真不确定性。研究表明，增大消声段两侧管路中心线偏移距、延长流体运动时间与距离，有助于工质在腔体内充分均匀流动，从而提升流场稳定性，但会带来平均质量流量下降的潜在代价。该研究仅评估流侧激励，未计算声学量。

研究背景与问题提出

在新能源汽车（NEV）尤其是纯电动汽车（BEV）中，传统动力总成噪声减弱，汽车供暖通风与空气调节（HVAC）系统成为乘员舱内主导噪声来源之一。涡旋压缩机高速旋转压缩制冷剂时，工质快速流动并撞击内壁，产生明显压力脉动（pressure pulsation）与质量流量波动（mass flow-rate fluctuation），二者作为流致噪声与振动的源项，直接影响整车声品质。既有文献多聚焦排气孔、阀片几何或传声损失优化，较少从膨胀腔内部流场出发，以压力脉动与流量波动联合最小化为目标系统优化消声结构。因此，研究人员以量产汽车HVAC压缩机膨胀腔为对象，开展流场稳定性改进的数值研究。

研究人员开展的工作与核心结论

研究人员建立膨胀腔三段式数值模型，引入可参数化偏移的消声段，先后构建单消声器与双消声器方案，通过瞬态计算流体动力学（CFD）仿真对比出口压力脉动与质量流量波动。结果表明：单消声器中，当两侧管路中心线间距δ达到12 mm时流动最均匀，压力脉动降低34.32%、流量波动降低53.31%；双消声器进一步将压力脉动压制至49.73%降幅。核心机理在于增大偏移距可延长流体停留时间、使工质混合更均匀，但会以平均质量流量下降为代价。该研究为压缩机流道低噪声设计提供了流场侧的参数化依据。

主要关键技术方法

研究人员采用基于量产压缩机几何的瞬态CFD模型，工质热物性按压力与温度查表定义；湍流闭合使用标准k-ε模型，压力-速度耦合采用SIMPLE算法，时间离散为二阶隐式BDF2；通过七档网格分辨率完成网格无关性验证并选取6×网格，再以单参数遍历与分层因子筛选结合，评估消声段偏移参数对出口脉动与流量波动的影响。

研究结果

3.1 单消声器模型结果

研究人员将排片段拆分为4 mm消声段与后续排片段，令偏移距δ由0递增至12 mm。仿真显示，δ越大，出口压力脉动与质量流量波动越低；δ=12 mm的Model 9最优，较原模型压力脉动降34.32%、流量波动降53.31%，流线更均匀充分。

3.2 双消声器模型改进

在单消声器基础上再拆分出第二段4 mm消声段，定义δ1至δ5五组偏移参数。为控制计算量，先固定前两段偏移，再分层筛选。结果显示：以最小压力脉动为目标的最优参数为δ1=6 mm、δ2=-6 mm、δ3=6 mm、δ4=-6 mm、δ5=6 mm，压力脉动降49.73%、流量波动降61.58%；以最小流量波动为目标时δ5=-3 mm，流量波动降61.63%。两准则最优解微小差异源于仿真不确定度，流线显示双消声器内流体混合更均匀。

讨论与结论翻译

讨论指出，偏移距增大本质是为流体提供更长的迁移路径与停留时间，使腔内速度场与压力场趋于平稳；但平均质量流量约下降三分之二，对压缩功与制冷系数（COP）的影响需系统级模型后续评估。研究仅限流场激励，未做声学辐射验证。

结论部分可概括为：基于量产汽车HVAC压缩机膨胀腔数值模型，经网格无关性确认后，参数化消声器可显著抑制出口压力脉动与质量流量波动；单消声器最优δ=12 mm，双消声器在两套准则下给出相近最优构型；增大消声段两侧管路偏移、延长流体运动距离，是提升流场稳定性的有效手段，但需权衡平均流量损失。实验验证与声学分析留待后续工作。