基于STAR-CCM+的汽車除霜分析

胡忠輝 史東林 張俊巖 鄒佳異

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

汽車空調(diào)的除霜性能直接影響駕駛員的視野情況及駕駛安全，是衡量空調(diào)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依賴經(jīng)驗(yàn)，試制后進(jìn)行測試，難以得到流場的詳細(xì)信息，需要反復(fù)試制和測試，增加汽車開發(fā)成本，延長開發(fā)時(shí)間。而CFD 分析能夠得到詳細(xì)的流場信息，不但可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，也可以為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)，并且能夠大大縮短開發(fā)時(shí)間，大幅降低開發(fā)成本[1-3]。由于影響除霜分析結(jié)果的因素較多，文章依據(jù)GB 11555—2009《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》[4]，以商用CFD 軟件STAR-CCM+為主要研究工具，在大量的數(shù)據(jù)積累和驗(yàn)證計(jì)算的基礎(chǔ)上，研究了除霜分析計(jì)算過程中玻璃內(nèi)表面第1 層網(wǎng)格厚度以及模型計(jì)算域的大小處理對計(jì)算結(jié)果的影響。

1 計(jì)算模型及邊界條件

1.1 基礎(chǔ)理論

STAR-CCM+中擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗玻璃的除霜分析包括穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析2 個(gè)過程。

穩(wěn)態(tài)分析關(guān)注風(fēng)窗玻璃和側(cè)窗玻璃各區(qū)域表面的氣體流動(dòng)速度大??；而瞬態(tài)分析關(guān)注風(fēng)窗玻璃和側(cè)窗玻璃各區(qū)域霜層厚度隨時(shí)間的變化，需考慮乘員艙內(nèi)部溫度場對玻璃內(nèi)表面的對流傳熱、玻璃的熱傳導(dǎo)以及霜層的融化。

1）乘員艙內(nèi)部溫度場對玻璃內(nèi)表面的對流傳熱計(jì)算式為：

式中：Φ——熱流量，W；

h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)；

A——表面面積，m2；

tc——乘員艙內(nèi)空氣溫度，℃；

tg1——玻璃內(nèi)表面溫度，℃。

2）玻璃內(nèi)表面到玻璃外表面的熱傳導(dǎo)計(jì)算式為：

式中：λ——熱導(dǎo)率，-λ 表示熱量傳遞方向與溫度升高方向相反，W/(m·℃)；

tg2——玻璃外表面溫度，℃；

x——玻璃厚度，m。

3）STAR-CCM+中霜層融化原理圖，如圖1 所示，其中假設(shè)融化的霜變成水后全部流走，不殘留在玻璃或冰層上，且不再凝固為霜，即

根據(jù)圖1 得到整個(gè)除霜過程的能量平衡方程為：

其中：q=Φdt。

則霜層厚度隨時(shí)間的變化方程為：

hs（Tice）——霜在初始狀態(tài)下的焓，J/kg；

q——乘員艙通過玻璃傳遞給霜的熱量，J；

t——時(shí)間，s；

hL（TF）——霜在剛好融化為水臨界狀態(tài)下的焓，J/kg；

Cemp——霜吸收熱量占總熱量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

s——霜層厚度，m；

ρs——霜層體積質(zhì)量，kg/m3。

1.2 計(jì)算模型建立

根據(jù)整車除霜區(qū)域建立除霜系統(tǒng)封閉腔體的模型，如圖2 所示。

1.3 邊界條件

流體區(qū)域空氣假定為不可壓氣體，湍流模型選擇Realizable K-Epsilon 模型，采用2 階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行空間離散，迭代方式采用Simple 算法，玻璃表面位置激活thin film 模擬霜層，霜層厚度設(shè)定為0.5 mm，詳細(xì)邊界設(shè)定如下：

1）環(huán)境溫度為-18 ℃；

2）除霜風(fēng)道入口氣流速度為10.834 m/s，入口溫度隨時(shí)間變化的曲線，如圖3 所示；

3）出口邊界為自由流出口；

4）其他邊界為壁面邊界，初始溫度均為-18 ℃。

2 結(jié)果分析

2.1 第1 層網(wǎng)格厚度對比

針對第1 層網(wǎng)格厚度影響，提出方案1（0.4 mm）和方案2（1.2 mm），2種方案的其他設(shè)置均相同。分別建立計(jì)算模型，經(jīng)過3 000 步的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，已達(dá)到收斂，得到玻璃內(nèi)表面的氣體流動(dòng)速度分布，如圖4 所示。

如圖4 所示，對比玻璃內(nèi)表面速度大于1.8 m/s 的紅色區(qū)域，方案1 明顯小于方案2，其主要原因是玻璃內(nèi)表面第1 層網(wǎng)格厚度影響所致。因STAR-CCM+作為一款有限體積法計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，其玻璃內(nèi)表面速度為第1 層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的速度。由于空氣粘性的作用，在玻璃內(nèi)表面將形成速度邊界層，其速度值是隨遠(yuǎn)離壁面的程度而逐漸增大，故會(huì)造成邊界層內(nèi)第1 層網(wǎng)格厚度不同，從而使讀取的速度分布不一致[5]。

因此，在穩(wěn)態(tài)除霜分析時(shí)，應(yīng)首先確定第1 層網(wǎng)格厚度，進(jìn)而用玻璃內(nèi)表面速度大小和區(qū)域來衡量除霜效果。

2.2 計(jì)算域?qū)Ρ?/h3>

除霜分析模型計(jì)算域的大小通常有完整乘員艙模型和B 柱前（不完整）乘員艙模型2種，如圖5 和圖6所示，分別對2種模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析對比。

2.2.1 穩(wěn)態(tài)除霜分析

針對完整乘員艙與不完整乘員艙模型計(jì)算域大小，提出2種方案，如表1 所示。經(jīng)過3 000 步的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，模型已達(dá)到收斂，得到計(jì)算時(shí)間、各出風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)量分配，如圖7 和圖8 所示。

表1 除霜分析2種方案對比表

由表2 可知，由于計(jì)算域的減小，在體網(wǎng)格各項(xiàng)設(shè)置相同的情況下，體網(wǎng)格數(shù)量明顯下降，最終使方案2計(jì)算時(shí)間減少30%；由圖7 可知，由于計(jì)算區(qū)域的減小，出風(fēng)口速度有所增加，但最大增加量僅為1%；由圖8 可知，各出風(fēng)口風(fēng)量分配不變。

綜上，在工程設(shè)計(jì)階段需要分析風(fēng)量分配時(shí)，可考慮建立不完整乘員艙模型計(jì)算除霜風(fēng)道各出風(fēng)口風(fēng)量分配，從而減少計(jì)算時(shí)間，以便更快速地為設(shè)計(jì)人員提供分析結(jié)果。

2.2.2 瞬態(tài)除霜分析

在穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂的基礎(chǔ)上，對表1 中的2種方案進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算20 min 后，霜層已全部除凈。圖9 示出玻璃表面瞬態(tài)除霜時(shí)間-面積對比圖。

由圖9 可知，由于計(jì)算域的減小，各時(shí)刻的除霜面積比有所增加，16 min 時(shí)不完整乘員艙比完整乘員艙增加了約8%，其原因主要有2種：第1 種是不完整乘員艙模型各出風(fēng)口速度較大，使其玻璃內(nèi)表面與艙內(nèi)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較完整乘員艙模型大，其熱流量大；第2種是不完整乘員艙模型計(jì)算域較小，在相同熱量的情況下，其溫升較完整乘員艙模型快，玻璃內(nèi)表面與乘員艙溫差較大，玻璃內(nèi)熱流量大。2種原因均使不完整乘員艙模型較完整乘員艙模型的熱流量大，從而除霜速度較快，使其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。因此，為保證瞬態(tài)除霜分析與試驗(yàn)結(jié)果有可對比性，應(yīng)建立完整乘員艙模型進(jìn)行瞬態(tài)除霜分析。

3 結(jié)論

基于STAR-CCM+軟件對汽車除霜分析中玻璃內(nèi)表面第1 層網(wǎng)格厚度及計(jì)算域的大小進(jìn)行研究，固化了其部分參數(shù)，為評價(jià)及對比除霜分析結(jié)果提供依據(jù)。

1）在穩(wěn)態(tài)除霜分析時(shí)，應(yīng)首先確定第1 層網(wǎng)格厚度，進(jìn)而用玻璃內(nèi)表面速度大小和區(qū)域來衡量除霜效果；

2）在工程設(shè)計(jì)工藝階段，應(yīng)建立不完整乘員艙模型進(jìn)行計(jì)算，以便快速為設(shè)計(jì)人員提供空調(diào)除霜風(fēng)道各出風(fēng)口風(fēng)量分配分析結(jié)果；

3）瞬態(tài)除霜分析時(shí)，應(yīng)建立完整乘員艙模型進(jìn)行計(jì)算，以保證瞬態(tài)除霜分析與試驗(yàn)結(jié)果有對比性。