基于Star CCM+的汽車燈具的熱量及霧氣仿真研究

鄒 艷，李 浩

(比亞迪汽車工程研究院，廣東 深圳 518118)

引言

汽車燈具作為集光、機(jī)、電、熱于一體的較為復(fù)雜的汽車零部件系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)要兼顧這四大方面的性能需求，設(shè)計(jì)難度指數(shù)不言而喻。燈具的熱學(xué)性能作為燈具性能要求中極其重要的一部分，其與光學(xué)方案的定義、造型空間的布置密不可分。隨著整車前臉造型的扁平化發(fā)展趨勢，對(duì)車燈空間的進(jìn)一步壓縮，給車燈的熱管理和熱設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。同時(shí)為了應(yīng)對(duì)市場需求，整車產(chǎn)品的快速迭代，導(dǎo)致開發(fā)周期進(jìn)一步被壓縮。這就需要在車燈產(chǎn)品的開發(fā)過程中，借助強(qiáng)有力的仿真手段和準(zhǔn)確有效的仿真方法，快速地對(duì)方案做出熱量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并給出下一步的優(yōu)化方向，以期規(guī)避產(chǎn)品的熱風(fēng)險(xiǎn)[1]。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外在車燈行業(yè)內(nèi)關(guān)于產(chǎn)品的熱量仿真及熱量風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)發(fā)展日趨成熟，又以產(chǎn)品的光源不同而側(cè)重點(diǎn)有所不同：對(duì)于遠(yuǎn)近光光源為鹵素?zé)襞莸能嚐魜碚f，其發(fā)光原理為物體受熱發(fā)光，光源的熱輻射對(duì)于塑料件來說就是熱量風(fēng)險(xiǎn)的源頭，所以產(chǎn)品的熱風(fēng)險(xiǎn)管控主要針對(duì)塑料件的耐高溫問題，充足的燈內(nèi)散熱空間的需求更為突出；對(duì)于光源為LED的車燈產(chǎn)品而言，其主要考慮的是光源受溫度影響的光衰問題，要保證產(chǎn)品的光輸出性能，就需要合理化設(shè)計(jì)散熱器，保證散熱面積足夠，同時(shí)還要針對(duì)LED及其他電子元器件制定過熱保護(hù)策略，以期望車燈產(chǎn)品在過高溫條件下工作時(shí)，LED光源系統(tǒng)可以通過降額工作起到保護(hù)作用，不至于發(fā)生LED或是電子元器件脫落導(dǎo)致產(chǎn)品失效的風(fēng)險(xiǎn)[2-5]。

Star CCM+作為專業(yè)的熱流體解析工具，其采用最先進(jìn)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù)和卓越的現(xiàn)代軟件工程技術(shù)結(jié)合在一起，擁有出色的性能和高可靠性，是熱流體分析工程師首選的CFD軟件工具。Star CCM+的解析功能強(qiáng)大，其在熱耦合以及除霧的仿真模擬方面均有出色表現(xiàn)，比較適合解決車燈的全部熱量及流體相關(guān)的仿真問題。

1 燈具的熱量傳遞機(jī)理

汽車燈具產(chǎn)品，燈內(nèi)的光源即是熱源，一些內(nèi)置式的驅(qū)動(dòng)器也是熱源，該產(chǎn)品的熱量傳遞機(jī)理涵蓋我們常見的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。

1.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)指的是物體內(nèi)部的溫度梯度引起的熱量傳遞，熱對(duì)流是流體移動(dòng)引起的熱量傳遞，熱輻射是電磁波引起的熱量傳遞。

基于熱傳導(dǎo)的熱量傳遞，可以通過式(1)和式(2)表達(dá)該過程[6]：

(1)

(2)

通過上式可以看出，在溫度梯度相同時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，物質(zhì)的熱傳導(dǎo)引起的傳熱量就越大，即導(dǎo)熱系數(shù)越大，傳熱效率越高。例如金屬基板的導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于FR4的基板，可以更快速有效地將LED光源及PCB板上的發(fā)熱電子元器件的熱量傳導(dǎo)出去[7]。

1.2 熱對(duì)流

對(duì)流換熱的熱量傳遞方式可以用式(3)表達(dá)該過程[6]：

(3)

其中，h是傳熱系數(shù)，其不同于導(dǎo)熱系數(shù)，它是隨著流體的流動(dòng)狀態(tài)變化的。一般情況下，液體的傳熱系數(shù)比氣體大，強(qiáng)迫對(duì)流比自然對(duì)流的傳熱系數(shù)大。例如在某些燈內(nèi)增加風(fēng)扇，提供主動(dòng)散熱機(jī)制，就是利用風(fēng)扇工作時(shí)，燈內(nèi)氣流的強(qiáng)制對(duì)流來為LED光源提供快速有效的散熱。

1.3 熱輻射

輻射換熱主要是描述兩個(gè)溫度不同且互不接觸的物體之間通過電磁波進(jìn)行換熱的過程，只有熱輻射不依賴于介質(zhì)，可以用式(4)表達(dá)該過程[6]：

(4)

其中，ε為發(fā)射率，σ為玻耳茲曼常數(shù)，q為熱流密度。通過上式可以看出，要強(qiáng)化該輻射換熱的過程，則可以提高熱源表面的發(fā)射率，例如給散熱器表面做陽極氧化黑化處理，提高散熱器向外輻射熱量的能力。

2 燈具的起霧除霧機(jī)理

燈具工作點(diǎn)亮光源時(shí)，內(nèi)部氣壓是增大的，所以產(chǎn)品設(shè)計(jì)中既要考慮到產(chǎn)品的密封性，不會(huì)因?yàn)檫M(jìn)水導(dǎo)致燈內(nèi)的電子元器件失效，又要保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不會(huì)承受過大的內(nèi)外壓差力而破壞，這樣燈具產(chǎn)品一般情況下是設(shè)計(jì)有通風(fēng)系統(tǒng)的。

既然產(chǎn)品有通風(fēng)系統(tǒng)，就難免燈具會(huì)有濕空氣進(jìn)入，而如果含有大量水分的濕空氣進(jìn)入燈具內(nèi)部，在某些特定的使用場景下，如冬季溫差過大，或是洗車高濕環(huán)境等，燈具內(nèi)部高濕氣體遇到溫度過低的面罩，就有可能在面罩冷凝，形成霧氣，尤其在面罩的一些邊緣拐角區(qū)域，氣流循環(huán)不暢、氣體滯留的區(qū)域[8]。

伴隨著國內(nèi)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車燈具行業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、工藝都日趨成熟，但燈具起霧現(xiàn)象仍十分普遍，想要尋找出成本低廉且又能解決該問題的方案，一直是行業(yè)的難題。

目前行業(yè)通常的解決思路主要有三類：一類是以VW大眾為代表的，其通風(fēng)方案是在燈具殼體側(cè)預(yù)留多個(gè)通氣孔，甚至添加主動(dòng)進(jìn)氣軟管，增加燈內(nèi)外氣體交換速率，在霧氣不可避免形成之后，使得面罩霧氣能夠快速消散；一類是以一些自主品牌主機(jī)廠(吉利、比亞迪)為代表的，其通風(fēng)系統(tǒng)僅僅布置一到兩個(gè)平衡燈內(nèi)外氣壓的透氣膜，且以選用防水等級(jí)更高、透氣速率更低一些的透氣膜為主，以盡可能減少燈外濕氣的進(jìn)入，且在必要時(shí)添加干燥劑來吸收水汽，以達(dá)到降低霧氣形成風(fēng)險(xiǎn)的目的；還有一類是不惜成本的方案，比如BWM寶馬配置激光大燈車型，其在燈內(nèi)配備冷凝裝置，燈內(nèi)的濕氣可以在該裝置工作時(shí)，吸附冷凝于該裝置中，直接形成液態(tài)水排出燈外，徹底杜絕霧氣困擾[9,10]。

3 基于Star CCM+的熱量仿真

與其他有限元仿真計(jì)算過程類似，基于Star CCM+的燈具的熱量及空氣流動(dòng)仿真過程，也是由模型前處理、模型的物理參數(shù)、邊界條件設(shè)置，求解計(jì)算，后處理及結(jié)果解讀評(píng)價(jià)，并依據(jù)仿真結(jié)果提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施等幾個(gè)部分組成。

下面以某車型的前燈產(chǎn)品為例，說明在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，是如何利用仿真手段，基于軟件Star CCM+進(jìn)行仿真模擬，預(yù)測產(chǎn)品各部件的熱量風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以及對(duì)透明面罩可見區(qū)域的霧氣潛在形成區(qū)域的識(shí)別，并提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施，有效降低潛在風(fēng)險(xiǎn)的。

3.1 某前燈的熱量仿真模型簡介

該前燈產(chǎn)品近光功能由飛利浦的鹵素光源H7燈泡+透鏡模組構(gòu)成；遠(yuǎn)光功能由飛利浦的鹵素光源H7燈泡+反射碗構(gòu)成；轉(zhuǎn)向功能由飛利浦的PY21W燈泡+反射碗構(gòu)成；日行/位置燈功能由LED光源+光導(dǎo)方案構(gòu)成。該模型既有傳統(tǒng)的鹵素?zé)襞莨庠?，也有代表發(fā)展趨勢的LED光源，燈內(nèi)組件材料以熱塑性材料為主，PC、PBT居多，還有PP、PA66以及熱固性耐高溫材料BMC，模型如圖1所示。

圖1 某前燈CFD模型Fig.1 CFD Simulation Mode of Head Lamp

對(duì)模型進(jìn)行環(huán)境溫度70 ℃，點(diǎn)亮模式為夜間模式，產(chǎn)品靜置，產(chǎn)品完全封閉狀態(tài)下的高溫工況模擬，以識(shí)別塑料部件的溫度響應(yīng)是否在材料可耐受溫度范圍內(nèi)。燈具周邊氣體域用尺寸近似于高溫試驗(yàn)箱尺寸的盒子替代，對(duì)該氣體域盒子設(shè)置尺寸較小(30 mm左右)的進(jìn)出口(速度進(jìn)口，壓力出口)，利于模型整體的氣流趨于穩(wěn)態(tài)的計(jì)算，提高計(jì)算收斂性能力。熱源功率輸入部分信息如表 1所示。

表1 模型熱源功率信息Table 1 Input thermal power information of the model

3.2 某前燈的熱量仿真分析結(jié)果

該前燈產(chǎn)品在70 ℃高溫、夜間模式工況下的仿真結(jié)果匯總?cè)绫?2所示；關(guān)注重點(diǎn)的熱源截面的溫度分布如圖2～圖5所示。

表2 部件溫度仿真結(jié)果匯總Table 2 Overview of the parts’ thermal response

圖2 前燈近光截面溫度分布圖Fig.2 Thermal distribution at Section LB

圖3 前燈遠(yuǎn)光截面溫度分布圖Fig.3 Thermal distribution at Section HB

圖4 前燈轉(zhuǎn)向燈泡截面溫度分布圖Fig.4 Thermal distribution at Section DI

圖5 前燈位置燈截面溫度分布圖Fig.5 Thermal distribution at Section PO

3.3 結(jié)構(gòu)熱量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與優(yōu)化

針對(duì)部分有風(fēng)險(xiǎn)的零件，分析其熱點(diǎn)形成的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

3.3.1 殼體的風(fēng)險(xiǎn)與措施

殼體的溫度分布云圖如圖6所示，其熱點(diǎn)位置1為轉(zhuǎn)向反射鏡安裝的定位銷，位于轉(zhuǎn)向燈泡熱源正上方，可以考慮遠(yuǎn)離熱源來降低溫度，縮短定位銷尺寸或是該定位點(diǎn)的位置往殼體側(cè)后移；熱點(diǎn)位置2位于遠(yuǎn)、近光上方的殼體膠槽附近區(qū)域。近光上方局部區(qū)域達(dá)到140 ℃，達(dá)到PP-TD40材料許用的溫度極限，考慮該位置處于膠槽區(qū)域，一旦長時(shí)間達(dá)到140 ℃高溫的話，密封性會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。需要制定措施來降低殼體的位于近光上方的膠槽區(qū)域的溫度水平。首先分析殼體上熱點(diǎn)2溫度過高的原因，其主因是受限于z向空間，近光模組與燈殼之間間距不足導(dǎo)致，從熱流走向可以看出，反射碗前側(cè)上方為高溫相對(duì)集中區(qū)域，在z向空間無法加大的情形下，可以考慮通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化遮擋熱流，避免過多的熱量流向上方，如圖6所示，封閉模組透鏡支架結(jié)構(gòu)的兩側(cè)區(qū)域，只留開口朝下。

圖6 前燈殼體溫度分布圖Fig.6 Thermal distribution of housing

3.3.2 主襯框的風(fēng)險(xiǎn)與措施

主襯框的溫度分布如圖7所示，由于熱點(diǎn)位置位于對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)光光源斜上方的某個(gè)安裝卡扣區(qū)域，一方面可以考慮削減該熱點(diǎn)區(qū)域的材料，調(diào)整安裝卡扣在x向的位置，盡可能遠(yuǎn)離熱源，如果結(jié)構(gòu)安裝實(shí)在需要，無法避開，可以考慮以材料升級(jí)至PBT-GF10作為備選。普通PBT耐溫可達(dá)180 ℃，若材料升級(jí)至PBT-GF10，耐溫可達(dá)200 ℃。又考慮到仿真條件一般稍偏嚴(yán)苛于實(shí)際，當(dāng)前仿真結(jié)果超出材料維卡溫度僅7 ℃，風(fēng)險(xiǎn)不大，可結(jié)合后期高溫試驗(yàn)結(jié)果再定是否升級(jí)材料的耐溫等級(jí)。

圖7 前燈主襯框溫度分布圖Fig.7 Thermal distribution ofmain bezel

3.3.3 眉襯框及模組支架風(fēng)險(xiǎn)與措施

眉襯框的溫度分布如圖8所示，熱點(diǎn)位置位于近光上方的該結(jié)構(gòu)上的一個(gè)定位銷，該熱點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，比較簡單有效的方式是挪動(dòng)定位銷位置或是縮短尺寸，遠(yuǎn)離熱源；也可以結(jié)合殼體膠槽的位于近光上方的熱點(diǎn)區(qū)域的溫度改善方案進(jìn)行，即加大模組透鏡支架的封閉區(qū)域，減少熱流直接串入上方區(qū)域，優(yōu)化該模組透鏡支架局部結(jié)構(gòu)，更改為類似圖9所示右側(cè)模組的結(jié)構(gòu)。

圖8 前燈眉襯框溫度分布圖Fig.8 Thermal distribution of eye brow bezel

圖9 前燈模組透鏡支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖Fig.9 Optimize the module support frame structure

3.3.4 轉(zhuǎn)向燈反射碗風(fēng)險(xiǎn)與措施

轉(zhuǎn)向燈反射碗的溫度分布如圖10所示，熱點(diǎn)位置位于光源正上方，該零件的上方開口實(shí)際是為了緩解該零件的熱點(diǎn)問題，但同時(shí)會(huì)帶來大量熱量向上流動(dòng)，影響到殼體區(qū)域，所以開口不能再加大，且遮擋結(jié)構(gòu)不能取消，因?yàn)闅んw材料PP的耐溫遠(yuǎn)低于該反射碗材料PBT。由于當(dāng)前仿真結(jié)果173 ℃，低于材料的基材耐溫180 ℃，但高于材料表面鍍鋁后的許用溫度165 ℃(由于材料表面鍍鋁，預(yù)留了15 ℃溫度余量，防范鋁層脫落風(fēng)險(xiǎn))?？紤]到該熱點(diǎn)區(qū)域不可見，即便存在有鋁層脫落風(fēng)險(xiǎn)，但基材不至于熔融或是燒蝕，可以保持當(dāng)前設(shè)計(jì)方案不變，以材料升級(jí)至PBT-GF10作為備選方案，待實(shí)際樣件出來后的高溫試驗(yàn)再定。

圖10 前燈轉(zhuǎn)向反射碗溫度分布圖Fig.10 Thermal distribution of DI reflector

3.4 實(shí)際樣件高溫測試結(jié)果

結(jié)合上述風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及建議，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后實(shí)際出來的樣件，據(jù)供應(yīng)商反饋通過了高溫試驗(yàn)，且要求他們在高溫試驗(yàn)過程中，重點(diǎn)監(jiān)測殼體近光上方的熱點(diǎn)區(qū)域溫度，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，試驗(yàn)通過的報(bào)告如圖12所示。從試驗(yàn)結(jié)果來看，實(shí)際樣件在近光上方的熱點(diǎn)響應(yīng)溫度128 ℃，比仿真模型中的140 ℃小約15 ℃。這一方面歸于結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善了溫度分布，一方面試驗(yàn)中的探測布點(diǎn)位置相對(duì)于溫度最高點(diǎn)可能存在偏差，即實(shí)際沒有探測到溫度最高點(diǎn)，所以偏差基本在可接受范圍內(nèi)。綜上，在設(shè)計(jì)階段，借助仿真手段來規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)是必要的，且是有效的。

圖11 高溫試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果Fig.11 The thermal test results of housing

圖12 高溫試驗(yàn)通過的報(bào)告Fig.12 The thermal test report of this lamp

4 基于Star CCM+霧氣消散仿真

基于Star CCM+的燈具霧氣消散的仿真，實(shí)際是在假定面罩內(nèi)表面已經(jīng)有一層薄霧的情況下，通過觀察其消散過程中內(nèi)面罩霧層厚度的變化，及經(jīng)過一段規(guī)定時(shí)長的霧氣消散后，依然殘留的霧氣區(qū)域，來判定當(dāng)前燈具通風(fēng)系統(tǒng)的霧氣風(fēng)險(xiǎn)，以及霧氣區(qū)域是否影響駕駛的安全性。依然以某車型前燈為例，闡述燈具霧氣消散仿真及結(jié)果分析。

4.1 某前燈的霧氣消散仿真模型簡介

由于霧氣消散仿真是一個(gè)瞬態(tài)分析，且計(jì)算量巨大的模擬，可以在氣流穩(wěn)態(tài)分布的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行。所以第一步進(jìn)行的是低溫邊界條件的燈具的氣體流動(dòng)穩(wěn)態(tài)分析。在這個(gè)過程中，為減小計(jì)算量，縮減模型的網(wǎng)格規(guī)模，刪掉了燈具外部的氣體域，以設(shè)定燈具的外面罩及殼體的換熱系數(shù)來等效燈具與周邊環(huán)境的熱交換。

仿真模型如圖13所示，物理邊界主要條件為：面罩前側(cè)5 ℃，殼體后側(cè)10 ℃；車輛行駛速度100 km/h，燈內(nèi)氣體相對(duì)濕度70%，通風(fēng)孔進(jìn)氣速率0.3l/min。

圖13 某車型前燈氣流分析模型Fig.13 The air flowing simulation mode

4.2 某前燈的燈內(nèi)氣體流動(dòng)仿真結(jié)果

由于預(yù)留的通風(fēng)孔較多，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇相對(duì)利于燈內(nèi)霧氣消散的組合進(jìn)行分析(實(shí)際需要結(jié)合路試效果，封閉部分通風(fēng)孔)，一般進(jìn)氣孔位于車輛里側(cè)，出氣孔位于車輛外側(cè)。通風(fēng)系統(tǒng)組合Vent1和Vent6為進(jìn)氣孔，Vent4和Vent5為出氣孔，該組合下的面罩的溫度分布如圖14所示，內(nèi)面罩的氣流剪切速率分布結(jié)果如圖15所示，內(nèi)面罩附近區(qū)域的氣體流動(dòng)速率分布結(jié)果如圖16所示。霧氣易于在面罩低溫、氣流速率低的區(qū)域形成，即圖16中畫圈的區(qū)域。

圖14 面罩的溫度分布圖Fig.14 Thermal distribution of the cover lens

圖15 內(nèi)面罩氣流剪切速率分布圖Fig.15 Wall shear stress on inner surface of the cover lens

圖16 內(nèi)面罩附近區(qū)域的氣體流速分布圖Fig.16 Wall shear stress on inner surface of the cover lens

仔細(xì)查看燈內(nèi)氣流的流向走勢，如圖17所示，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)入口附近的結(jié)構(gòu)還有優(yōu)化的空間，即如果氣流從通風(fēng)口進(jìn)入后，可以快速達(dá)到面罩區(qū)域，不被分流導(dǎo)致流速降低，就可以形成流暢的氣體循環(huán)，快速帶走面罩表面的水汽，利于面罩霧氣快速消散。

圖17 根據(jù)氣流分析結(jié)果的燈內(nèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議Fig.17 Optimize the structure according to air flowing results

4.3 某車型前燈的霧氣消散仿真結(jié)果

基于Star CCM+的thin film模型，進(jìn)行假定初始霧層厚度下的霧氣消散仿真分析。初始厚度的計(jì)算取決于燈內(nèi)氣體域的體積、內(nèi)面罩的面積、燈內(nèi)初始含水量的估算等，一般燈具的初始厚度假定3～5 μm。觀察燈具的消散過程以5～10 min為間隔，一般以1 h為限，希望在1 h內(nèi)霧氣全部消散掉，至少在消散過程持續(xù)到1 h時(shí)，位于遠(yuǎn)近光光源等照明功能正前方的霧氣必須消散掉，否則不利于駕駛安全。

霧氣消散的過程如圖18～圖23所示，可以清晰看到內(nèi)面罩表面的霧層厚度的變化，在消散過程持續(xù)1 h后，遠(yuǎn)近光功能的正前方區(qū)域霧氣全部消散，僅面罩的底部區(qū)域，尤其右下角區(qū)域有殘留。再結(jié)合面罩內(nèi)表面噴防霧漆工藝，霧氣較難形成于帶有防霧涂層的面罩上。綜上可知，該燈具的霧氣風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖18 內(nèi)面罩霧層厚度在300 s時(shí)的分布圖Fig.18 Distribution of inner surface fog layer thickness at 300 s

圖20 內(nèi)面罩霧層厚度在1 500 s時(shí)的分布圖Fig.20 Distribution of inner surface fog layer thickness at 1 500 s

圖21 內(nèi)面罩霧層厚度在2 100 s時(shí)的分布圖Fig.21 Distribution of inner surface fog layer thickness at 2 100 s

圖22 內(nèi)面罩霧層厚度在2 700 s時(shí)的分布圖Fig.22 Distribution of inner surface fog layer thickness at 2 700 s

圖23 內(nèi)面罩霧層厚度在3 600 s時(shí)的分布圖Fig.23 Distribution of inner surface fog layer thickness at 3 600 s

4.4 實(shí)際樣件霧氣試驗(yàn)結(jié)果

基于該前燈的實(shí)際樣件(面罩帶有防霧涂層)，按照試驗(yàn)要求進(jìn)行霧氣試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過高溫預(yù)處理后的燈具，在持續(xù)噴水5 min后，燈具面罩的起霧狀態(tài)如圖24所示，霧氣主要集中在面罩底部及與翼子板配合側(cè)區(qū)域。經(jīng)過30 min后，面罩上的霧氣基本上完全消散，如圖25所示。

圖24 燈具樣件霧氣試驗(yàn)起霧區(qū)域示意圖Fig.24 Fogging area distribution of the test lamp

圖25 燈具樣件霧氣試驗(yàn)霧氣消散半小時(shí)狀態(tài)圖Fig.25 Defogging of the lamp after 30 minutes

實(shí)際樣件出現(xiàn)霧氣的區(qū)域與產(chǎn)品氣流仿真分析預(yù)測結(jié)果一致；帶防霧涂層的產(chǎn)品歷經(jīng)30 min后霧氣全部消散，產(chǎn)品的霧氣風(fēng)險(xiǎn)較低，與假定初始霧層厚度下的除霧仿真分析結(jié)果預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)較低一致。實(shí)際樣件30 min即可達(dá)到霧氣全部消散，其與仿真過程的消散速度存在差異，其主要原因在于初始假定的狀態(tài)不一樣。實(shí)際樣件的霧氣消散過程是基于實(shí)際的起霧區(qū)域及霧層厚度開始的；而仿真模擬是基于假定的3 μm厚的霧層均勻布滿整個(gè)面罩開始的。

5 仿真與試驗(yàn)的對(duì)比分析與結(jié)論

汽車燈具的CFD仿真模擬，其重點(diǎn)集中在產(chǎn)品的熱量風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測以及依據(jù)燈內(nèi)氣流走向、流速、分布等信息預(yù)測霧氣風(fēng)險(xiǎn)。燈具的熱量風(fēng)險(xiǎn)的仿真預(yù)測及改善措施較為成熟，但其作為具備復(fù)雜物理現(xiàn)象的產(chǎn)品，發(fā)生冷凝現(xiàn)象產(chǎn)生霧氣的仿真模擬與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，目前行業(yè)內(nèi)的各大仿真工具包括Star CCM+尚不能給出十分精確的仿真結(jié)果。但本文中提供的基于某前燈的熱量及霧氣消散的仿真模擬與實(shí)際樣件試驗(yàn)的對(duì)比分析表明，本文闡述的基于Star CCM+展開的仿真方法是十分有效的。對(duì)于燈具霧氣的仿真分析與預(yù)測，不管是燈內(nèi)氣體流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)分析還是霧氣消散仿真的瞬態(tài)分析，都是為了探究燈內(nèi)氣流走向，尋找阻礙氣流順暢流動(dòng)的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化這部分結(jié)構(gòu)，使得更多的氣流從通風(fēng)入口(一般在燈具靠里側(cè)靠底部的位置)更快速地抵達(dá)面罩區(qū)域，并沿著面罩內(nèi)壁面流動(dòng)直至從通風(fēng)出口(一般在燈具靠外側(cè)靠上部的位置)排出。只要燈內(nèi)外能形成穩(wěn)定順暢的循環(huán)，無流速過低的死區(qū)，就可以避免含有水汽的氣流因?yàn)闇艟植啃纬伸F氣；同時(shí)亦可以保障即便冬天或是高壓洗車環(huán)境下，車燈內(nèi)的水汽遇到溫度低于其飽和溫度的面罩壁面凝結(jié)成霧層，也可通過開啟光源加熱內(nèi)部氣體或是行車的加速對(duì)流，使得燈內(nèi)外的氣流加速循環(huán)直至面罩殘留的霧氣消散掉。