某型S U V整車除霜優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王 偉，彭 婧，張 涵，韋祖武

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州45007）

0 引言

近年來國內(nèi)SUV車型產(chǎn)銷兩旺，各大車企紛紛加大對該車型的研發(fā)投入，添加配置和提升用戶體驗(yàn)成為各大車企新的決斗場。整車除霜除霧性能分析作為提升用戶體驗(yàn)特別是提升寒冷天候下消費(fèi)者感知質(zhì)量的方案被各大整車制造商所關(guān)注。1997年Brewster Robert等人首次使用了焓方法和共軛數(shù)值仿真方法與試驗(yàn)對比證明了穩(wěn)態(tài)除霜風(fēng)管風(fēng)速仿真的可行性[1]。Haribalan Kumar等人對除霜射流與前擋風(fēng)玻璃接觸角對擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并取得了積極的成果。2010年Unverdis和他的團(tuán)隊(duì)提出了在除霜風(fēng)量不足的情況下使用電熱絲補(bǔ)熱的方式給客車擋風(fēng)玻璃除霜的解決方案[2]。前人所做的工作大多數(shù)是成品車完成之后分析試驗(yàn)現(xiàn)象對除霜風(fēng)管風(fēng)速和流量分配進(jìn)行改進(jìn)或者在玻璃處附加熱源達(dá)成目標(biāo)，而這不可避免的造成設(shè)計(jì)反復(fù)，造成重復(fù)試驗(yàn)，影響開發(fā)周期。

本文以上汽通用五菱某款SUV車型整車除霜性能設(shè)計(jì)為研究對象，探索通過使用計(jì)算流體力學(xué)、傳熱學(xué)仿真對整車除霜性能進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的方法。在對除霜風(fēng)管和乘員艙熱環(huán)境模擬的基礎(chǔ)上，通過瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證等途徑，解決了掣肘整車前擋、側(cè)窗視野區(qū)除霜效果不理想的問題，為設(shè)計(jì)需要提供理論和數(shù)據(jù)支持。

1 理論基礎(chǔ)

分析對象為一款SUV車型，空氣在汽車前艙中的流動以湍流為主，故采用湍流模型描述前艙和底盤的空氣流動狀況[3]。寫成笛卡爾坐標(biāo)系下張量形式的控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動量方程：

其中，ρ為流體密度；ui為速度分量；μ為動力粘度；p為流體微元體上的壓力。

近壁面湍流模型采用Fluent軟件近壁面模型[4]，不求解層流底層和混合區(qū)，采用半經(jīng)驗(yàn)公式（壁面函數(shù)）來求解層流底層與完全湍流之間的區(qū)域。

將雙層設(shè)為一種流體域，相變過程由溫度控制，液相率σ表征其融化狀態(tài)：

其中TS為固相溫度；TL為液相溫度；σ=1表明霜層完全融化。

玻璃內(nèi)外表面之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)計(jì)算公式為：

其中，λ為導(dǎo)熱率數(shù)據(jù)，出現(xiàn)負(fù)值表示傳熱方向與溫升方向相反，W/（m·℃）；T1、T2分別表示玻璃內(nèi)外表面溫度；x表示玻璃厚度；q為乘員艙內(nèi)除霜流場的熱量輸入；t表示時間變量。

假設(shè)霜層溶化成液態(tài)后即不影響視野，考慮除霜時能量傳遞路徑為乘員艙內(nèi)除霜?dú)饬鞯讲ＡП砻娴剿獙釉俚秸囃獠亢錃饬鲙ё哒麄€過程的熱能平衡方程：

式中：m˙為融化的霜層質(zhì)量，kg；hs·（Tr）為霜層的焓，J/kg；q為乘員艙內(nèi)除霜流場的熱量輸入，J；hL·（Tf）為霜融成水后的焓，J/kg；Cvol為參與除霜的熱量占總熱量的能量系數(shù)。

將公式（6）與公式（7）耦合解算，理論上可得到霜層厚度S隨時間變化的動態(tài)結(jié)果：

其中，ρvol為霜層的體積分?jǐn)?shù)。將動態(tài)結(jié)果與國標(biāo)或更嚴(yán)苛的企標(biāo)要求作比較，得出相應(yīng)的除霜效果在時域上的表現(xiàn)。當(dāng)使用有限體積法對除霜全過程進(jìn)行分析時，預(yù)期得到時域上的除霜效果云圖。

2 仿真分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

設(shè)計(jì)初期欲在有限的空間內(nèi)布置除霜風(fēng)管，使其獲得一個較小的流阻值，通過GT-SUITE一維仿真搭建模型，獲得最初設(shè)計(jì)狀態(tài)的管路中心線形狀和尺寸參數(shù)，一維管路模型搭建如圖1所示。

圖1 一維管路模型搭建圖

考慮空調(diào)箱體和暖風(fēng)機(jī)內(nèi)部部件設(shè)置的復(fù)雜性，在進(jìn)行整車除霜仿真分析中采用商用一維軟件GT-SUITE提供的管路流場計(jì)算方法，使用空調(diào)箱、暖風(fēng)機(jī)出口臺架實(shí)測提供的暖風(fēng)機(jī)除霜支路的質(zhì)量流量和溫度隨時間變化的曲線作為入口邊界。

加載到搭建好的一維管路流場模型中，對管路截面基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用優(yōu)化軟件Isight對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行單目標(biāo)多變量的優(yōu)化運(yùn)算得出結(jié)果。由于優(yōu)化時結(jié)果不能為0或負(fù)值，故設(shè)定最小長度為1 mm，最小角度單位為0.5°，管路有最小流動阻力為80.6 Pa.

除霜管路截面分析模型的搭建是整車除霜性能匹配的的先決條件，根據(jù)布置情況和除霜暖風(fēng)流量要求調(diào)整管路截面關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)是整車除霜瞬態(tài)分析和除霜性能優(yōu)化的前提。根據(jù)仿真結(jié)果影響流動阻力和流向的關(guān)鍵參數(shù)是暖風(fēng)機(jī)出口處彎管的轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)向角度，在這里影響因素為正值表針該特征值變大流動特性就隨之變差。最終得到管理截面中心線理想位置如圖2所示，將風(fēng)管設(shè)計(jì)調(diào)整到該接近理論中心線位置完成前期數(shù)學(xué)模型調(diào)試。

圖2 一維管路優(yōu)化數(shù)據(jù)

2.2 仿真結(jié)果及分析

環(huán)境大氣壓P=101.325 kPa，環(huán)溫及車內(nèi)初始溫度T=255.15 K，不考慮太陽輻射影響，設(shè)定車速為40 km/h（冷空氣來流風(fēng)速），暖風(fēng)流量和風(fēng)溫來自臺架試驗(yàn)按GB11562要求設(shè)定駕駛員視野A、A′、B區(qū)且霜層厚度滿足國標(biāo)GB11555要求，熱力學(xué)分析所需的玻璃材料類型，包括密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、固體厚度等根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)定義。

通過對數(shù)值流場仿真結(jié)果的后處理，得到乘員艙除霜流場的速度流線，表針暖風(fēng)機(jī)出口的高溫氣流在擋風(fēng)玻璃上的流速和流向（其中暖色為高速，反之為低速），如圖3所示。B區(qū)中上部出現(xiàn)明顯的低風(fēng)速區(qū)，A區(qū)駕駛員側(cè)出現(xiàn)兩股氣流的分差區(qū)。暖風(fēng)無法覆蓋的區(qū)域只能通過周圍玻璃熱傳遞能量，傳遞的熱能有限對除霜性能造成影響。

圖3 擋風(fēng)玻璃處速度流線

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對仿真分析中原始設(shè)計(jì)方案暴露出來的A區(qū)駕駛員側(cè)出現(xiàn)兩股氣流的分差區(qū)、B區(qū)中上部出現(xiàn)明顯的低風(fēng)速區(qū)的問題，嘗試采用一般做法，即在除霜風(fēng)管增加導(dǎo)流片數(shù)量，增大導(dǎo)流長度，改變導(dǎo)流片位置等方法來解決。但由于除霜風(fēng)管出口射流在前擋玻璃上近壁面流動的復(fù)雜性，導(dǎo)流片對風(fēng)速覆蓋率的影響需經(jīng)反復(fù)調(diào)整、驗(yàn)證再調(diào)整。為了使暖風(fēng)參與除霜的效果最大化，將導(dǎo)流片長度和數(shù)量作為基本變量樣本，使用優(yōu)化軟件反饋控制網(wǎng)格變形軟件構(gòu)建田口矩陣樣本模型，其中對空間采樣點(diǎn)進(jìn)行離散化使樣本空間邊緣得到覆蓋，再對靠近中部和流動弱側(cè)（駕駛員側(cè)）的導(dǎo)流片試驗(yàn)樣本進(jìn)行設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 風(fēng)管D O E優(yōu)化模型示意圖

獲得前擋風(fēng)玻璃上最優(yōu)的風(fēng)速分布后，對裝備該導(dǎo)風(fēng)片的風(fēng)管最優(yōu)解方案進(jìn)行整車除霜瞬態(tài)分析，得到時域上的除霜效果云圖，如圖5所示。其中云圖顏色表示霜層厚度，淺色代表霜層厚度大，深色表示霜層厚度小，由圖可知15 min后A區(qū)融化體積分?jǐn)?shù)為100%、A′區(qū)融化霜層體積分?jǐn)?shù)達(dá)到84%，B區(qū)除霜面積達(dá)到87%，優(yōu)化后除霜效果符合設(shè)計(jì)要求，如圖6所示。

圖5 最終結(jié)果擋風(fēng)玻璃暖風(fēng)風(fēng)速分布

圖6 優(yōu)化前后表面溫度云圖

通過上面的優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，由于SUV車型前擋傾斜角較小、視野區(qū)較高、擋風(fēng)玻璃面積大等因素的影響，較少的導(dǎo)風(fēng)片有利于前擋風(fēng)速的均勻分布，暖風(fēng)氣流弱側(cè)（駕駛員側(cè)）由于氣流流量小，較短的導(dǎo)風(fēng)片能夠減小暖風(fēng)氣流流動的損失，防止流動死區(qū)和渦流的產(chǎn)生，避免吹到前擋風(fēng)玻璃上的氣流分股，影響暖風(fēng)覆蓋。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

模擬低溫環(huán)境艙熱平衡工況的整車除霜試驗(yàn)中，按標(biāo)準(zhǔn)分別劃定視野A、A′、B區(qū)后，為了將仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證整車除霜仿真方法的可行性和優(yōu)化方案的實(shí)用性，原模型低溫試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果對比，如圖7所示。為了方便對比，在這里將優(yōu)化方案的低溫環(huán)境艙除霜結(jié)果車外拓片做了鏡像與原始模型圖A、A′區(qū)保持一致?？梢钥吹皆寄Ｐ陀捎谂L(fēng)氣流分股，致使駕駛員側(cè)左上角區(qū)域除霜效果不理想；而優(yōu)化后整車除霜效果顯著提升，在風(fēng)量不變的情況下15 min時A、A′、B區(qū)除霜效果均已超過80%，20 min幾乎全部除完，滿足設(shè)計(jì)要求，提升了用戶體驗(yàn)。

圖7 環(huán)境艙試驗(yàn)結(jié)果

4.2 誤差分析

試驗(yàn)樣車在低溫試驗(yàn)艙完成了整車除霜測試，試驗(yàn)結(jié)果較好。如圖8中所示，試驗(yàn)結(jié)果與仿真值在5 min、10 min兩個點(diǎn)上霜層分布擬合較好，而10 min～15 min除霜試驗(yàn)中霜層的融化速率略高于仿真結(jié)果?？紤]到試驗(yàn)前結(jié)霜噴壺殘液致使霜層厚度略薄于設(shè)計(jì)值，試驗(yàn)員70 g/h的呼吸量被忽略等原因?qū)Ρ冉Y(jié)果表明霜層體積分?jǐn)?shù)結(jié)果的最大誤差在12.6%以內(nèi)，仿真分析結(jié)果的趨勢是正確的，驗(yàn)證了分析方法的可行性。

圖8 B區(qū)霜層體積分?jǐn)?shù)的仿真與試驗(yàn)值對比圖

5 結(jié)論

利用計(jì)算流體力學(xué)結(jié)合工程熱力學(xué)理論對某SUV車的整車除霜性能進(jìn)行了瞬態(tài)仿真和優(yōu)化嘗試，結(jié)論如下：

（1）優(yōu)化后前擋風(fēng)玻璃表面暖風(fēng)分布有了顯著提升，15 minA區(qū)融化霜層體積分?jǐn)?shù)達(dá)到100%，A′區(qū)融化霜層體積分?jǐn)?shù)達(dá)到84%，B區(qū)融化霜層體積分?jǐn)?shù)達(dá)到87%，滿足20 minA區(qū)80%的要求，除霜效果顯著提升；

（2）試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性，對比結(jié)果表明仿真和試驗(yàn)中測點(diǎn)表面溫度的最大誤差在12.6%以內(nèi)，仿真結(jié)果的趨勢正確，仿真分析方法對設(shè)計(jì)開發(fā)有著一定的指導(dǎo)作用；

（3）運(yùn)用除霜流場瞬態(tài)分析和DOE優(yōu)化的方法的結(jié)合實(shí)現(xiàn)整車除霜分析，可以在設(shè)計(jì)開發(fā)中期對SUV車型低溫工況下的除霜性能進(jìn)行直觀的描述和有效地評估，簡化開發(fā)流程，減少試驗(yàn)次數(shù)，對于提升駕乘主觀感受、保障行車安全性、消除安全隱患等方面都具有積極的指導(dǎo)意義。