車燈流道結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響研究

顧小江，李茹，孟慶恩，尹麗偉，劉演華

(1.常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000； 2.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 210098； 3.中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

0 引言

隨著城市交通的日益發(fā)達(dá)，汽車相關(guān)的制造業(yè)也逐漸成熟，尤其是汽車燈具的設(shè)計(jì)和制造工藝、燈具制造的質(zhì)量檔次都有了很大提高。燈具霧氣問題是全球性的并普遍存在的，也是前照燈市場(chǎng)中主要抱怨問題[1]。燈罩內(nèi)表面產(chǎn)生霧氣時(shí)涉及到熱流動(dòng)、光學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)等多方面知識(shí)，在處理車燈起霧方面，當(dāng)前的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)還存在很多的不足之處。在過去的燈具設(shè)計(jì)中，光學(xué)設(shè)計(jì)占據(jù)主導(dǎo)地位，利用光學(xué)完成主要設(shè)計(jì)工作，而在車燈流道結(jié)構(gòu)對(duì)燈內(nèi)流場(chǎng)影響的分析上存在很大的缺陷[2]。汽車燈具內(nèi)發(fā)生流動(dòng)主要是因?yàn)闇囟确植疾痪鶆蛞鸬淖匀粚?duì)流。燈內(nèi)氣體流動(dòng)很大程度決定了燈內(nèi)的溫度，可以通過調(diào)整車燈結(jié)構(gòu)或增加燈具換氣設(shè)計(jì)的方式改善燈內(nèi)空氣的流動(dòng)，對(duì)流可以將熱量傳遞到燈腔的各個(gè)部分，提高每個(gè)區(qū)域的溫度，避免低溫的死區(qū)，同時(shí)強(qiáng)對(duì)流可以促使燈內(nèi)水分蒸發(fā)，從而降低結(jié)霧的可能[3]。通過改善燈內(nèi)流道結(jié)構(gòu)可以很好地改善燈內(nèi)氣流的流動(dòng)以及燈內(nèi)氣流與外部環(huán)境的交換，從而在設(shè)計(jì)初期避免霧氣在燈罩面的產(chǎn)生。

1 車燈的結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計(jì)車燈結(jié)構(gòu)時(shí)，為了滿足美觀和功能要求，存在輻射和對(duì)流死角，某些區(qū)域溫度低于車燈內(nèi)部水蒸氣飽和溫度，容易出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象。汽車的前照燈結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，形成的流道也各不相同。在燈具設(shè)計(jì)過程中，主要可調(diào)整流道長(zhǎng)度、間隙以及流道角度的變化對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的影響。

通過對(duì)比不同燈內(nèi)流道結(jié)構(gòu)的差異進(jìn)行分析和探討，總結(jié)出車燈普遍的流道結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)車燈流道模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

該簡(jiǎn)化模型中主要保留了可以體現(xiàn)流道影響因子的關(guān)鍵參數(shù)，飾圈與燈罩間的間隙、燈罩底部朝向殼體內(nèi)腔的翻邊角度、飾圈與燈罩面上下端進(jìn)出口間隙、燈罩面底部上下翻邊的長(zhǎng)度等都可以在其中體現(xiàn)出來，為后續(xù)單一變量的試驗(yàn)方法及制作模型試驗(yàn)驗(yàn)證提供可操作性與可行性。簡(jiǎn)易流道實(shí)驗(yàn)三維建模及實(shí)物樣件如圖2所示。

圖1 模型剖面

圖2 簡(jiǎn)易流道實(shí)驗(yàn)三維建模及實(shí)物樣件

1.1 流道模型研究參數(shù)及參數(shù)范圍的確立

研究簡(jiǎn)化車燈流道試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕堑贸鲈谲嚐艄ぷ鬟^程中氣流通過透氣孔流入流道中，調(diào)整飾圈與燈罩面的間隙、燈罩翻邊的角度、飾圈上下端出入口距離的大小對(duì)氣流流速大小的影響，得到消散霧氣的理想氣流流速，從而有效降低車燈總成起霧風(fēng)險(xiǎn)，提高車燈的使用性能，預(yù)防和控制車燈起霧問題。

在車燈實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了滿足配光、車燈整體造型及車燈美觀等需求，飾圈與燈罩面間隙、燈罩翻邊的角度、飾圈上下端出入口距離等都有一個(gè)實(shí)際設(shè)計(jì)參考。根據(jù)車燈統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果以及實(shí)際設(shè)計(jì)參考，車燈各研究參數(shù)確立如圖3所示。

圖3 車燈底部剖面

飾圈與燈罩面間隙、燈罩翻邊的角度、飾圈上下端出入口距離等實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值范圍如表1所示。

表1 車燈流道各個(gè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.2 車燈模型的網(wǎng)格劃分

將一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)分割成有限個(gè)單元，對(duì)每一個(gè)單元給出一個(gè)近似解，再將所有單元按照一定的方式進(jìn)行組合，來模擬或者逼近原來的系統(tǒng)，從而將一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題簡(jiǎn)化為一個(gè)離散的有限自由度問題進(jìn)行分析求解。求解的精確性取決于好的網(wǎng)格質(zhì)量，而網(wǎng)格數(shù)量過多又會(huì)影響分析周期。與其他前處理軟件相比，Autodesk CFD軟件可自動(dòng)生成網(wǎng)格，其簡(jiǎn)單快速的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分功能使其在CFD前處理過程中得到了極其廣泛的應(yīng)用[4]。

簡(jiǎn)化后的前照燈流道實(shí)驗(yàn)幾何模型中由燈罩、殼體、導(dǎo)流板和飾圈形成的封閉空間為燈腔內(nèi)部流體計(jì)算域。根據(jù)模擬分析的需要，對(duì)精度要求高的地方，如流道內(nèi)的空氣域、飾圈與燈罩面間的空氣域網(wǎng)格劃分得細(xì)一些；對(duì)于對(duì)分析模擬不太重要的地方如殼體部分、燈罩部分網(wǎng)格可以劃分得粗一些，因?yàn)橛邢拊治鼋Y(jié)果的精度取決于網(wǎng)格的質(zhì)量，而網(wǎng)格數(shù)量過多又會(huì)影響分析周期。整體網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格截面

1.3 車燈模型物理模型設(shè)定

Autodesk CFD軟件中有多種物理模型可供選擇，如能量方程、多相流模型、湍流模型、輻射模型、組分傳輸模型、離散相模型等。本文作者在該車燈的溫度穩(wěn)態(tài)模擬中選用的是能量方程、層流模型、組分傳輸模型。

(1)

Re小于2 300，故該燈內(nèi)部的自然對(duì)流為層流，選用層流模型。

1.4 車燈簡(jiǎn)化模型材料參數(shù)設(shè)置

在建立模擬分析模型中非常關(guān)鍵的一步便是正確設(shè)定所研究物質(zhì)的物性參數(shù)。在Autodesk CFD中，物性參數(shù)的設(shè)定是在Materials(材料)面板中完成的。

該流道試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算流體域主要是由燈罩、殼體形成的封閉空間，定義為混合氣體。對(duì)于固體材料來說，需要定義材料的密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容，如果模擬半透明物質(zhì)，還需要設(shè)定物質(zhì)的輻射屬性。此模型均采用PC材料，其各項(xiàng)物性參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 流體與固體物性參數(shù)

1.5 簡(jiǎn)化模型邊界條件設(shè)置

研究簡(jiǎn)化車燈流道試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕峭ㄟ^調(diào)整流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到能消散霧氣的理想氣流流速，從而有效降低車燈總成起霧風(fēng)險(xiǎn)，提高車燈的使用性能，對(duì)車燈起霧問題起到預(yù)防和控制作用。

本文作者根據(jù)霧氣試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)及經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在通氣口入口處設(shè)置流速為1 000 mm/s，在出口處設(shè)置壓力為0，氣流通過導(dǎo)流板流入飾圈與燈罩之間，通過殼體后方透氣孔流出，調(diào)整飾圈與燈罩面的間隙、燈罩翻邊的角度、飾圈上下端出入口距離的大小，統(tǒng)計(jì)在飾圈與燈罩面間隙出口處氣體流速的大小，從而得出不同流道結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響。

2 流場(chǎng)的模擬結(jié)果及流速統(tǒng)計(jì)分析

在Autodesk CFD中設(shè)定完求解選項(xiàng)后進(jìn)行求解，得到的流道模型流場(chǎng)整體分布如圖6所示。

圖6 流道模型流場(chǎng)整體分布

如圖6所示：氣流由底部透氣孔流入，分別向腔體前后兩側(cè)流出，后方流道間隙為5 mm不變，研究前方飾圈與燈罩間隙內(nèi)氣流流動(dòng)情況。調(diào)整飾圈與燈罩面的間隙、燈罩翻邊的角度、飾圈上下端出入口距離的大小，測(cè)量飾圈與燈罩面出口出定點(diǎn)的流速。

用單一變量法對(duì)流道出口口徑S1、流道入口口徑S2、飾圈與燈罩間隙d、燈罩曲面角度β、曲邊長(zhǎng)度a、曲邊長(zhǎng)度b分別進(jìn)行研究。

流道出口口徑S1對(duì)氣流流速的影響統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各流道出口口徑流速統(tǒng)計(jì)

流道入口口徑S2對(duì)氣流流速的影響統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各流道入口口徑流速統(tǒng)計(jì)

飾圈與燈罩間隙d對(duì)氣流流速的影響統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同飾圈與燈罩間隙處流速統(tǒng)計(jì)

燈罩曲面角度β對(duì)氣流流速的影響統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 不同流道角度的流速統(tǒng)計(jì)

曲邊長(zhǎng)度a對(duì)氣流流速的影響統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 不同曲邊長(zhǎng)度a流速統(tǒng)計(jì)

曲邊長(zhǎng)度b對(duì)氣流流速的影響統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 不同曲邊長(zhǎng)度b流速統(tǒng)計(jì)

由表2—表7可知：當(dāng)流道出口口徑為5 mm時(shí)，間隙內(nèi)流速最大；當(dāng)流道入口口徑越小時(shí)，間隙內(nèi)流速越大，入口口徑大于3 mm時(shí)，流速變化較??；飾圈與燈罩間隙在3 mm時(shí)，間隙內(nèi)流速最大，間隙距離大于3 mm時(shí)，流速變化較??；當(dāng)燈罩曲面角度大于120°時(shí)，間隙內(nèi)流速較大，流速變化較為平緩，燈罩曲面角度為90°時(shí)，流速最?。划?dāng)上曲邊長(zhǎng)度小于45 mm時(shí)，間隙內(nèi)流速較大，且變化較小，上曲邊長(zhǎng)度大于45 mm時(shí)，流速開始減??；下曲邊長(zhǎng)度變化對(duì)飾圈與燈罩內(nèi)間隙流速的影響相反，當(dāng)下曲邊長(zhǎng)度為45 mm時(shí)，流道間隙內(nèi)流速最小。

3 流道模型飾圈與燈罩角度試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備

通過吸氣泵提供穩(wěn)定氣源，通過U形管連接氣壓計(jì)，獲得流速一定的氣流，通過橡膠泥密封模型底部透氣孔，流入導(dǎo)流板內(nèi)，殼體上設(shè)有燈罩，燈罩上設(shè)有翻邊，燈罩內(nèi)設(shè)有與翻邊形狀相對(duì)應(yīng)的飾圈，燈罩面下翻邊曲邊呈一定角度，飾圈與所述翻邊形成間隙，間隙的一側(cè)設(shè)有安裝孔，安裝孔與風(fēng)速測(cè)速儀連通，殼體一側(cè)設(shè)有透氣孔，殼體底部設(shè)有導(dǎo)流板和進(jìn)氣孔。

由于此次實(shí)驗(yàn)主要通過改變燈罩面下翻邊曲邊角度，測(cè)量指定點(diǎn)流速，故需要借助風(fēng)速測(cè)速儀。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括流道樣件模型、量角器、風(fēng)速測(cè)速儀、鋁箔、吸氣泵、三通管、氣體流量計(jì)、橡膠軟管等，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3.2 測(cè)流速實(shí)驗(yàn)過程

調(diào)試吸氣泵，獲得穩(wěn)定氣流量，通過橡膠軟管與三通管連接后，一端通入壓力測(cè)試計(jì)，直到讀數(shù)大概穩(wěn)定，另一端通過橡膠軟管通入流道簡(jiǎn)易模型底部透氣孔，透氣孔周圍用橡膠泥密封。在模型側(cè)邊飾圈上方5 mm處，開孔通入風(fēng)速測(cè)速儀，測(cè)量飾圈與燈罩面間隙出口處指定點(diǎn)流速。在實(shí)際燈具設(shè)計(jì)過程中，由于外部造型為配合整車造型，大都確定難以改變。對(duì)于車燈設(shè)計(jì)者來說，車燈內(nèi)部飾圈與燈罩角度變化可操作性較強(qiáng)，同時(shí)對(duì)霧氣影響較大，故作者分別改變飾圈與燈罩底部翻邊角度為90°、120°、150°，其間燈罩面與飾圈之間間隙始終保持3 mm不變，用風(fēng)速測(cè)速儀測(cè)量記錄指定點(diǎn)流速。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

在實(shí)驗(yàn)中，因風(fēng)速測(cè)速儀精度問題，因此主要對(duì)比流速變化趨勢(shì)，而不是數(shù)值大小。故經(jīng)過數(shù)次實(shí)驗(yàn)后的平均測(cè)試結(jié)果與模擬修正結(jié)果對(duì)比如表8所示。

表8 指定點(diǎn)流速實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

由表8可知：通過模擬與試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)燈罩曲邊角度在90°時(shí)，指定點(diǎn)流速最小，角度為120°和150°時(shí)，流速較大，且變化緩慢。模擬與實(shí)驗(yàn)整體變化趨勢(shì)相同，但存在一定誤差。而造成誤差的主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1)簡(jiǎn)化后的車燈幾何模型與實(shí)際模型存在一定的偏差；

(2)風(fēng)速測(cè)速儀精度較低也會(huì)造成二者之間的偏差；

(3)模擬分析時(shí)所設(shè)置的邊界條件與實(shí)際的測(cè)量環(huán)境會(huì)有一定的區(qū)別，故也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

因此可認(rèn)為通過數(shù)值模擬得到的角度對(duì)流速的影響有一定的可靠性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

模擬結(jié)果顯示：通過調(diào)整飾圈與燈罩面的間隙、燈罩翻邊的角度、燈罩面曲邊長(zhǎng)度、飾圈上下端出入口距離的大小，流道出口處指定點(diǎn)流速會(huì)受到不同影響。從模擬結(jié)果來看，假設(shè)氣流從“殼體”底部透氣孔，通過導(dǎo)流板，經(jīng)過“飾圈”與“燈罩”之間通道流向“燈罩面”：

(1)流道出口處距離在5 mm時(shí)，流速達(dá)到最大；入口距離越小流速越大，當(dāng)入口距離大于3 mm時(shí)，流速變化較小；

(2)流道長(zhǎng)度較短時(shí)，一般小于5 mm時(shí)，飾圈與燈罩間隙在5 mm時(shí)，流速達(dá)到最大；

(3)流道長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，燈罩與飾圈間隙在3 mm時(shí)，流速達(dá)到最大；當(dāng)間隙大于3 mm時(shí)，流速變化較?。?/p>

(4)水平方向流道長(zhǎng)度小于45 mm時(shí)，流速差異較小且流速較大；反重力方向流道長(zhǎng)度越小，速度損失越??；

(5)燈罩底部曲面角度在90°～180°內(nèi)時(shí)，120°～150°時(shí)流速較大，90°時(shí)流速最小。

本文作者采用模擬分析與單一變量法相結(jié)合的研究方法，對(duì)簡(jiǎn)化的流道試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧鲌?chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了給定試驗(yàn)條件下氣流流動(dòng)情況分布趨勢(shì)，為車燈的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。