汽車除霜性能CFD分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

袁俠義，戴澍凱，姜葉潔，彭麗娟

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州510640）

汽車除霜性能CFD分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

袁俠義，戴澍凱，姜葉潔，彭麗娟

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州510640）

簡(jiǎn)要介紹汽車除霜除霧的基本原理，對(duì)某款乘用車的空調(diào)除霜性能進(jìn)行CFD分析，并通過(guò)對(duì)管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，先利用穩(wěn)態(tài)分析的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷優(yōu)化的可行性，然后瞬態(tài)分析驗(yàn)證結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。最后通過(guò)除霜試驗(yàn)證明CFD分析的可靠性和有效性，有利于車型開(kāi)發(fā)中的除霜除霧性能優(yōu)化工作。

除霜性能；穩(wěn)態(tài)分析；瞬態(tài)分析；CFD；除霜試驗(yàn)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是直接通過(guò)試驗(yàn)來(lái)檢查除霜除霧性能的好壞。但采用試驗(yàn)的方法需要有樣車和相應(yīng)的環(huán)境艙，前期制作空調(diào)樣件的費(fèi)用昂貴和周期較長(zhǎng)，而且試驗(yàn)的手段無(wú)法獲得除霜除霧氣流的分布和走向規(guī)律，難以快速得到合理的優(yōu)化方案，驗(yàn)證優(yōu)化方案周期較長(zhǎng)［1］。目前在車型開(kāi)發(fā)前階段，CFD計(jì)算是分析優(yōu)化除霜除霧性能的主要手段之一。CFD計(jì)算可以在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)前期預(yù)測(cè)各種方案的可行性和優(yōu)劣性，大大減少試制樣件和試驗(yàn)次數(shù)，很好地縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期和降低開(kāi)發(fā)成本［2］。

本文利用CFD手段對(duì)某乘用車的除霜性能進(jìn)行模擬計(jì)算。通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)左右風(fēng)量分配以及流線分布進(jìn)行了優(yōu)化，利用穩(wěn)態(tài)求解的經(jīng)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值判斷優(yōu)化方案的可行性，再通過(guò)瞬態(tài)分析預(yù)測(cè)除霜性能是否達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，最后對(duì)優(yōu)化后的管道進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1　汽車除霜除霧的基本原理

1.1汽車結(jié)霜和起霧的原因

汽車的結(jié)霜和起霧一般有兩個(gè)條件：濕度過(guò)高和溫度相對(duì)過(guò)低，兩者缺一不可。

結(jié)霜的原理：當(dāng)空氣濕度達(dá)到一定條件，并且車窗兩側(cè)出現(xiàn)一定的溫差時(shí)（一般冬天車內(nèi)溫度會(huì)高于車外環(huán)境溫度），溫度低的表面的水分飽和蒸汽壓低于周圍環(huán)境的蒸汽壓時(shí)，水汽就向玻璃表面聚集，并以微小的水珠形式滲析出來(lái)而形成霧氣；而當(dāng)周圍環(huán)境溫度低于露點(diǎn)溫度0℃時(shí)，玻璃表面的霧氣就會(huì)結(jié)霜［3］。

起霧的原理：當(dāng)空氣濕度達(dá)到一定的條件，且車窗溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)在車窗表面形成結(jié)露；而當(dāng)周圍環(huán)境溫度高于露點(diǎn)溫度0℃時(shí)，則形成起霧現(xiàn)象［3］。

1.2汽車除霜的原理與國(guó)標(biāo)要求

汽車空調(diào)系統(tǒng)除霜原理：氣流從空調(diào)除霜口進(jìn)入乘員艙對(duì)玻璃壁面加熱，熱氣流通過(guò)熱傳導(dǎo)和輻射的方式傳遞到玻璃內(nèi)表面；氣流的溫度使得玻璃內(nèi)外表面存在溫差，引起玻璃內(nèi)外表面的熱傳導(dǎo)；玻璃外表面的霜層接受熱量，累計(jì)的熱量超過(guò)霜層潛在融化熱量，霜層便開(kāi)始融化［3］。

汽車空調(diào)系統(tǒng)的除霜性能是整車開(kāi)發(fā)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11555-2009中規(guī)定了汽車應(yīng)裝備除霜除霧系統(tǒng)［1］，并需要符合如表1中的要求。

表1　 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11555- 2009

2　除霜性能的CFD分析

2.1汽車除霜CFD模型

為了能夠更準(zhǔn)確地模擬除霜除霧過(guò)程，在計(jì)算資源允許的情況下，物理模型（見(jiàn)圖1）充分地考慮了對(duì)結(jié)果有影響的部件和細(xì)節(jié)，保留了包括HVAC、除霜管道、儀表板、座椅等；除霜模型的入口為HVAC的風(fēng)機(jī)入口，出口為乘員艙后排衣帽架位置。

利用HyperMesh軟件處理模型的幾何錯(cuò)誤，得到一個(gè)封閉空間的計(jì)算域，并在HyperMesh中完成面網(wǎng)格的劃分，如圖2所示。將面網(wǎng)格導(dǎo)入STAR-CCM+后，生成多面體形式的體網(wǎng)格。

體網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)定，兼顧考慮計(jì)算精度和計(jì)算成本。在流動(dòng)復(fù)雜區(qū)域附近（如HVAC，除霜空調(diào)管道）使用小尺寸網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在流動(dòng)變化緩慢的區(qū)域或?qū)τ?jì)算結(jié)果影響較小的區(qū)域（乘員艙后半段）使用尺寸相對(duì)較大的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。最后生成的多面體網(wǎng)格數(shù)大約870萬(wàn)［4］。

2.2除霜穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)分析的結(jié)合應(yīng)用

空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中除霜和除霧的CFD分析基本一致，本文只對(duì)除霜分析進(jìn)行說(shuō)明?，F(xiàn)階段的計(jì)算資源，一般汽車除霜CFD穩(wěn)態(tài)求解大約需要8 h，瞬態(tài)求解大約需要4～6天。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的前期，由于需要修改的次數(shù)較多，使用瞬態(tài)求解將很難滿足工程時(shí)間上的要求。綜合考慮開(kāi)發(fā)周期和計(jì)算成本，根據(jù)工程開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套有效的除霜性能CFD優(yōu)化流程：在開(kāi)發(fā)的前期，使用穩(wěn)態(tài)求解完成管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，滿足穩(wěn)態(tài)計(jì)算目標(biāo)后，再進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算的驗(yàn)證［5］。圖3為穩(wěn)態(tài)求解結(jié)果示意圖。

穩(wěn)態(tài)求解的目標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）風(fēng)量分配和設(shè)計(jì)要求一致。

2）風(fēng)窗玻璃面流線要均勻，盡量避免亂流。

3）玻璃表面風(fēng)速以1.2m/s為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，A區(qū)和A'區(qū)要100%達(dá)到1.2m/s以上，B區(qū)域要有90%達(dá)到1.2m/s以上。

2.3除霜穩(wěn)態(tài)分析的邊界設(shè)定

除霜穩(wěn)態(tài)求解主要是考慮氣流的流動(dòng)。由于除霜?dú)饬魉俣容^低，所以流體區(qū)的物性參數(shù)設(shè)定為常數(shù)，不考慮重力和溫度的影響，邊界參數(shù)如表2所示［5］。

表2　穩(wěn)態(tài)計(jì)算邊界條件

對(duì)車內(nèi)流場(chǎng)模擬時(shí)，湍流模型選擇Realizablek-ε模型，因?yàn)樗梢愿玫靥幚砀邞?yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)［6］；在壁面附近的附面層中采用壁面函數(shù)法；穩(wěn)態(tài)計(jì)算入口設(shè)為流量入口，流量大小為空調(diào)設(shè)定的目標(biāo)值，入口處氣流的速度均勻分布，方向垂直于入口邊界；出口設(shè)為壓力出口，背壓為0；所有物理量的收斂判斷條件為誤差不大于1.0E-4。

2.4除霜瞬態(tài)分析的邊界設(shè)定

瞬態(tài)計(jì)算除了考慮計(jì)算域的流動(dòng)外，還要考慮對(duì)流換熱和熱輻射等。一般為了節(jié)省求解的收斂時(shí)間，先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，等流場(chǎng)穩(wěn)定后，再調(diào)整入口邊界，打開(kāi)能量方程進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。瞬態(tài)計(jì)算需要調(diào)整的邊界設(shè)定如表3所示；除霜溫升曲線如圖4所示［7］。

表3　瞬態(tài)計(jì)算邊界條件

3　汽車除霜性能的CFD優(yōu)化與預(yù)測(cè)

3.1除霜性能的優(yōu)化

空調(diào)除霜除霧性能的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有除霜?dú)饬鞒隹谖恢谩饬骱筒Ａ娴膴A角、出口截面形狀、管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。因?yàn)榍捌谝呀?jīng)進(jìn)行了出口位置和出風(fēng)夾角等和布置相關(guān)的設(shè)計(jì)，本文主要考慮除霜管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。

除霜管道如圖5所示，為從車頭方向看過(guò)去的正視圖。管道有四個(gè)出口，DR.S指駕駛員側(cè)的側(cè)窗除霜出口，DR.C指駕駛員側(cè)前擋風(fēng)玻璃除霜出口，PA.C副駕駛員側(cè)前擋風(fēng)玻璃除霜出口，PA.S指副駕駛員側(cè)的側(cè)窗除霜出口。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)側(cè)窗的除霜效果進(jìn)行規(guī)定，因此，在保證管道出口風(fēng)量分配合理的前提下，主要針對(duì)前窗的除霜性能進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)穩(wěn)態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，初版除霜?dú)饬鞯牧鲃?dòng)非?；靵y，而且流量的分配也和設(shè)計(jì)目標(biāo)有一定差異。表4為流量分配計(jì)算結(jié)果。本次設(shè)計(jì)的管道是扇形管道，并在管道內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)導(dǎo)流片。這種形式的管道可以通過(guò)改變導(dǎo)流片的相對(duì)位置和形狀來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案分兩步走：優(yōu)化流量分配；優(yōu)化除霜?dú)饬髁鲃?dòng)。

表4　除霜?dú)饬黠L(fēng)量分配表

3.2穩(wěn)態(tài)除霜性能分析優(yōu)化

穩(wěn)態(tài)除霜優(yōu)化是CFD優(yōu)化除霜性能的主要手段。通過(guò)對(duì)管道的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流片的長(zhǎng)度和角度進(jìn)行優(yōu)化（如表5所示），以提高前擋風(fēng)玻璃面的流速和流動(dòng)分布，具體優(yōu)化流速和流線分布過(guò)程如下。

1）優(yōu)化風(fēng)量分配：風(fēng)量分配沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，副駕駛員側(cè)風(fēng)量偏小。如圖6所示，管道結(jié)構(gòu)中部位置需要向右移動(dòng)3mm，以增加副駕駛員側(cè)風(fēng)量；管道入口處兩側(cè)導(dǎo)流片向中間移動(dòng)2mm，以增大兩側(cè)除霜風(fēng)量。優(yōu)化后管道如圖6中虛線所示；優(yōu)化后流量如表4所示，基本滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

2）優(yōu)化流速和流線分布，以提高前擋風(fēng)玻璃面的除霜效果。

①根據(jù)表6中原始管道的分析結(jié)果，管道的流動(dòng)分布非常差，左右兩邊氣流過(guò)于分散，導(dǎo)流片的導(dǎo)流效果較差。優(yōu)化方案：先加長(zhǎng)導(dǎo)流片上半部分的導(dǎo)向長(zhǎng)度，減少下半部分的斜率，并在上部加入一定的斜率，優(yōu)化后管道見(jiàn)表5第a版。

②第a版管道的分析結(jié)果：兩側(cè)的除霜?dú)饬骰靵y，不能落到玻璃面上，原因是兩側(cè)導(dǎo)流片的角度導(dǎo)流能力較差；中間位置的氣流也存在互相干涉。優(yōu)化方案：調(diào)整導(dǎo)流片為兩長(zhǎng)四短，把除霜?dú)饬鞑糠址稚⒌角皳躏L(fēng)玻璃兩側(cè)；同時(shí)導(dǎo)流片角度太大，造成了局部亂流，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)流片的角度，優(yōu)化后管道見(jiàn)表5第b版。

表6　除霜流速和流線分布優(yōu)化圖

③從第b版管道的分析結(jié)果可知，流線在駕駛員側(cè)的下角處速度過(guò)慢，并且整體流速偏慢，應(yīng)適當(dāng)加大除霜出口流速。優(yōu)化方案：右側(cè)的導(dǎo)流片改成長(zhǎng)型，在除霜管道出口加入格柵，離散并加快出口氣流的流速。為了減少格柵對(duì)氣流走向的影響，格柵的高度必須小于5 mm，寬度小于2mm。優(yōu)化后管道見(jiàn)表5第c版。

④從第c版管道的分析結(jié)果可知，流線分布均勻，在視野區(qū)域內(nèi)流速達(dá)到1.2m/s的達(dá)到了90%以上。3.3除霜瞬態(tài)分析及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

搭建瞬態(tài)除霜模型進(jìn)行瞬態(tài)除霜CFD分析，其中前擋風(fēng)玻璃A區(qū)、A′區(qū)和B區(qū)如圖7所示。

CFD瞬態(tài)分析結(jié)果如表7所示。經(jīng)計(jì)算得到除霜開(kāi)始時(shí)間大約是試驗(yàn)開(kāi)始后9min時(shí)刻（為了與表7的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，主要監(jiān)測(cè)每間隔5min的分析結(jié)果），需要判斷除霜面積的時(shí)刻都達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。

根據(jù)GB 11555-2009除霜和除霧試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定環(huán)境艙的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法，先后對(duì)樣車進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。除霜結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　除霜面積CFD分析及試驗(yàn)結(jié)果

仿真瞬態(tài)分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，誤差大約在2%左右。主要原因是溫升曲線為設(shè)計(jì)目標(biāo)值，在試驗(yàn)過(guò)程中可能存在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，溫升曲線有所變化，所以結(jié)果會(huì)有所差異，但誤差都在3%以內(nèi)，達(dá)到了工程應(yīng)用的誤差要求。

4　結(jié)論

1）利用CFD方法能很好地完成汽車除霜分析優(yōu)化，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

2）利用穩(wěn)態(tài)求解方法作為除霜分析的重要組成部分，并總結(jié)出穩(wěn)態(tài)求解的判斷標(biāo)準(zhǔn)，能有效提高CFD分析的效率、節(jié)約計(jì)算資源。

3）本文中提出的優(yōu)化風(fēng)量分配，優(yōu)化氣流走勢(shì)的方法，可以指導(dǎo)其他車型的開(kāi)發(fā)。

4）通過(guò)試驗(yàn)和CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證模型選擇的正確性，可進(jìn)一步證明CFD分析優(yōu)化除霜的可靠性。

［1］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［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［2］谷正氣.汽車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2005.8.［3］鄧峰，谷正氣，楊易，等.汽車前風(fēng)窗玻璃除霜除霧數(shù)值模擬分析和研究［J］.汽車工程，2009，31（2）:175-179.

［4］谷正氣，孟慶超，楊易，等.轎車室內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（7）：1700-1702.

［5］付宇，蔡曉林，蘇成謙.汽車除霜管道的數(shù)值模擬仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［C］.2012年IDAJ-China中國(guó)用戶論文集，2012：271 -282.

［6］黃向東.汽車空氣動(dòng)力學(xué)與車身造型［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［7］張曉蘭，施俊業(yè)，陳江平.汽車擋風(fēng)玻璃除霜性能數(shù)值模擬［J］.汽車工程，2007，29（11）:1009-1013.

修改稿日期：2014-12-01

CFD Analysisand Test Verification on Automotive Defrosting Performance

Yuan Xiayi，DaiShukai，Jiang Yejie，Peng Lijuan
（AutomotiveEngineering Institute，Guangzhou AutomobileGroup Co.，Ltd，Guangzhou 510640，China）

Theauthorsbriefly introduce the fundamentalprincipleofautomotivedefrosting，andanalyze thedefrosting performanceofapassenger carconditionerby CFDmethod.Through optimizing theductstructuredesign，theyuse the experience data of steady-state analysis to estimate the optimizing feasibility.The result of transient analysis shows that thedefrostingeffectsatisfies thedesign requirement.Last，the defrosting testproves the reliability and validity of theCFDmethod.Thismeasureisbeneficial to theoptimizingwork ofdefrostingperformance forvehicledevelopment.

defrostingperformance；steady-stateanalysis；transientanalysis；CFD；defrosting test

U463.85+1

B

1006-3331（2015）05-0052-04

袁俠義（1983-），男，碩士；工程師；主要研究方向：汽車空氣動(dòng)力學(xué)。