汽車空調(diào)除霜風(fēng)管內(nèi)部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

張 釗，李 鑫，李玉珠

(1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052)(2.江西省汽車噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330052)

在我國(guó)北方，冬季環(huán)境溫度較低且多冰雪天氣，汽車空調(diào)的使用頻率較高?？照{(diào)系統(tǒng)的除霜能力對(duì)乘坐舒適性及行車安全具有重要意義，因此汽車空調(diào)除霜系統(tǒng)的性能也逐漸被人們重視起來(lái)[1-3]。Aroussi等[4]運(yùn)用數(shù)值仿真法分析了除霜系統(tǒng)風(fēng)道湍流及傳熱；Park等[5]計(jì)算出熱氣流噴射到乘客艙玻璃上的溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)，并得到隨時(shí)間變化的溫度云圖；陶其銘等[6]對(duì)空調(diào)管路進(jìn)行分析，通過(guò)增加弧形擾流槽減少渦流區(qū)；張群峰等[7]通過(guò)優(yōu)化除霜風(fēng)道明顯降低風(fēng)道內(nèi)部壓損，合理分配氣流速度。由此可見(jiàn)，若想獲得更好的除霜效果，需設(shè)計(jì)出合理的除霜風(fēng)道及格柵角度[8]。本文以某在研卡車為研究對(duì)象，運(yùn)用三維軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)其除霜風(fēng)管內(nèi)部結(jié)構(gòu)、格柵角度進(jìn)行優(yōu)化，并在開發(fā)后期進(jìn)行了環(huán)模試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，仿真優(yōu)化結(jié)果真實(shí)有效，為汽車空調(diào)除霜系統(tǒng)的深入研究提供了可靠的參考。

1 有限元模型建立

1.1 建立幾何模型

本文以某在研卡車為研究對(duì)象，運(yùn)用CATIA軟件建立其三維仿真模型，對(duì)除霜瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行速度場(chǎng)分析。具體模型如圖1和圖2所示。

1.2 邊界條件設(shè)置及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為了模擬前擋風(fēng)玻璃及側(cè)玻璃的風(fēng)速，將HVAC(heating ventilation and air conditioning)單元模型與除霜風(fēng)管模型及各出風(fēng)口格柵結(jié)合起來(lái)建模，模型包含整個(gè)乘員艙。模型邊界數(shù)據(jù)參考臺(tái)架試驗(yàn)獲得，進(jìn)口氣流流量設(shè)置為270 m3/h，乘員艙與外界大氣的相對(duì)壓力設(shè)置為0 Pa。遵循GB 11556—2009要求，在乘員艙模型上標(biāo)出除霜目標(biāo)區(qū)域A區(qū)、A′區(qū)及B區(qū)。本文車型要求除霜區(qū)域A、A′區(qū)的最小風(fēng)速為2 m/s，B區(qū)最小風(fēng)速為1.5 m/s，側(cè)除霜視野區(qū)域最小風(fēng)速為1.5 m/s。

圖1 乘員艙三維模型

圖2 除霜風(fēng)管模型

1.3 仿真及結(jié)果分析

根據(jù)以上模型及邊界條件，運(yùn)用ANSA軟件對(duì)除霜性能進(jìn)行仿真分析，得到除霜區(qū)域速度場(chǎng)仿真結(jié)果，如圖3和圖4所示。

主除霜一般要求玻璃表面A區(qū)氣流速度不小于2 m/s的區(qū)域達(dá)到100%，A′區(qū)在95%以上，B區(qū)在85%以上，由圖3、圖4可知，若以此標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判，當(dāng)前主除霜效果不滿足設(shè)計(jì)要求。前視野除霜區(qū)域應(yīng)在前擋風(fēng)玻璃的上部，而當(dāng)前整體除霜區(qū)域偏低，需通過(guò)優(yōu)化風(fēng)管、導(dǎo)流板以及格柵擋片等進(jìn)行調(diào)整。主駕側(cè)側(cè)除霜區(qū)偏前偏下，副駕側(cè)側(cè)除霜區(qū)偏下，且由于副駕側(cè)側(cè)除霜風(fēng)量太小，影響除霜效果，需通過(guò)優(yōu)化除霜風(fēng)量以及除霜出風(fēng)口造型來(lái)改善除霜效果。

圖3 速度分布云圖

圖4 速度跡線分布云圖

由于管路壓降對(duì)除霜出風(fēng)口進(jìn)入乘員艙的風(fēng)量有直接影響，進(jìn)而影響吹向玻璃的氣流速度，因此在前期開發(fā)過(guò)程中，流體壓降也是一個(gè)重要的考核指標(biāo)。本文在研車型要求主除霜壓降≤130 Pa，側(cè)除霜壓降≤145 Pa。如圖5所示，風(fēng)管內(nèi)導(dǎo)流板存在較大的壓力梯度，流動(dòng)損失較明顯，后續(xù)可通過(guò)調(diào)整導(dǎo)流板走向、密度及結(jié)構(gòu)來(lái)降低壓降。

圖5 風(fēng)管表面壓力分布云圖

2 風(fēng)管內(nèi)部?jī)?yōu)化及仿真分析

根據(jù)以上分析結(jié)果，對(duì)風(fēng)管內(nèi)部導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)及側(cè)除霜格柵擋板造型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前、后三維重疊模型如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后三維重疊模型

如圖6所示，主除霜主要通過(guò)調(diào)整風(fēng)管內(nèi)部導(dǎo)流板來(lái)優(yōu)化除霜效果，進(jìn)而降低流體壓降；左右側(cè)除霜主要通過(guò)調(diào)整格柵擋板角度來(lái)優(yōu)化除霜效果。對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 優(yōu)化后速度分布云圖

由圖8可知，優(yōu)化后主除霜效果得到了較大的改善，A區(qū)氣流速度不小于2 m/s的區(qū)域達(dá)到100%，A′區(qū)在95%以上，B區(qū)在85%以上；側(cè)除霜效果也有了較大提升，且優(yōu)化后側(cè)除霜區(qū)域比較合理，整體側(cè)除霜區(qū)域的流體速度不小于1.5 m/s，滿足要求。

如圖9所示，優(yōu)化內(nèi)擋板設(shè)計(jì)后流動(dòng)損失降低，根據(jù)接收標(biāo)準(zhǔn)使用最大風(fēng)量進(jìn)行測(cè)試，主除霜壓降≤130 Pa，側(cè)除霜壓降≤145 Pa，滿足目標(biāo)要求。優(yōu)化前、后管道壓降對(duì)比見(jiàn)表1。

圖9 優(yōu)化后風(fēng)管表面壓力分布云圖

3 除霜性能環(huán)模試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合仿真分析結(jié)果制得試驗(yàn)件，進(jìn)行除霜試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)地點(diǎn)為江鈴汽車股份有限公司整車環(huán)模試驗(yàn)室。首先使用含甲醇的乙醇或類似的去污劑清潔玻璃表面，再用濃度為3%～10%的氨水進(jìn)行擦拭，風(fēng)干后用干凈的棉布進(jìn)行擦拭；然后將車輛駛?cè)氕h(huán)境倉(cāng)，用細(xì)膠帶貼出除霜A區(qū)、A′區(qū)、B區(qū)，設(shè)置浸車溫度為(-18±2)℃，浸車10 h；浸車完成后，使用標(biāo)準(zhǔn)的噴槍，在前擋風(fēng)玻璃、側(cè)玻璃表面從上到下均勻噴水，形成均勻的冰層，覆蓋整個(gè)車窗，噴水量V為0.044 g/cm3×擋風(fēng)玻璃面積S(V=S×0.044 g/cm2)。過(guò)程中噴嘴保持垂直于玻璃表面且距離為200～300 mm，噴槍的壓力為(350±20) kPa，玻璃上形成均勻的冰層后，試驗(yàn)車輛在低溫環(huán)境下靜置40 min，然后開始試驗(yàn)，如圖10所示。

表1 優(yōu)化前后管道壓降對(duì)比

圖10 除霜試驗(yàn)過(guò)程

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

除霜試驗(yàn)在8 min時(shí)有所突破，20 min時(shí)A區(qū)除霜面積達(dá)到整個(gè)A區(qū)的85%(國(guó)標(biāo)要求為不小于80%)，25 min時(shí)A′區(qū)達(dá)到91%(國(guó)標(biāo)80%)，40 min后所有的霜都被除盡，試驗(yàn)結(jié)果滿足國(guó)標(biāo)GB 11556—2009要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某在研卡車為研究對(duì)象，基于三維制圖軟件CATIA對(duì)除霜風(fēng)管內(nèi)部導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用ANSA軟件對(duì)模型分析，更改導(dǎo)流板走向及密度，合理分配除霜風(fēng)管內(nèi)部流量，降低內(nèi)部壓降，主除霜優(yōu)化明顯，側(cè)除霜優(yōu)化后效果有較大幅度提升，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，在項(xiàng)目開發(fā)前期進(jìn)行有限元仿真分析，既節(jié)省研發(fā)時(shí)間又節(jié)約成本，且對(duì)后續(xù)的優(yōu)化研究有一定的指導(dǎo)意義。