摘要：運用CFD方法對某車型擋風玻璃除霜過程數(shù)值模擬，針對現(xiàn)有國標規(guī)定分區(qū)中A區(qū)除霜過慢的問題，提出了一種除霜新方法，在風口處設計能繞自身軸線回轉(zhuǎn)的導流葉片，結(jié)合動網(wǎng)格技術，計算除霜瞬態(tài)過程.結(jié)果表明：葉片初始偏轉(zhuǎn)角度為42°，A區(qū)的除霜效果最好，努賽爾數(shù)提高13.7%，270 s時刻，令葉片以角速度ω=0.073 3 rad/s偏轉(zhuǎn)，280 s時刻回轉(zhuǎn)至初始位置.A區(qū)霜層除去80%面積所需時間與原模型相比縮短60 s，在保證除霜完全的基礎上優(yōu)先除去A區(qū)霜層，實現(xiàn)駕駛員視野的快速清晰.

關鍵詞：計算流體動力學；除霜；動網(wǎng)格

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A

汽車風窗玻璃結(jié)霜起霧是人們在日常生活中經(jīng)常遇到且需要解決的問題，尤其是風擋關鍵視野區(qū)域除霜過慢，導致駕駛員視野不能快速清晰，造成安全隱患.

國內(nèi)外學者對汽車玻璃除霜除霧性能進行了廣泛的研究，文獻[1]使用STAR-CD實現(xiàn)了對前擋風玻璃除霜除霧效果的數(shù)值模擬.文獻[2]將數(shù)值仿真結(jié)果與試驗進行定性對比，驗證了CFD方法的準確性.文獻[3-4]采用數(shù)值仿真與試驗驗證相結(jié)合的方法，計算出風口風量分配，得出玻璃附近的流場分布，對除霜風管和內(nèi)部結(jié)構進行改進，使得除霜效果滿足所需要求.文獻[5-6]研究了客車風擋的除霜效果，對吹風管道和送風口進行優(yōu)化改進，針對空調(diào)熱源不足，采用電阻絲加熱方式加快除霜.文獻[7]分析了氣流從矩形出風口沖擊固定傾斜壁面的流體熱參數(shù)，將仿真結(jié)果與試驗進行對比.文獻[8]提出了一種除霜新方法，在風擋內(nèi)部噴涂一層透明的材料，通過吸收太陽能解化霜層.文獻[9]分析了除霜除霧試驗過程和實驗設備安裝，并采用圖像分析方法對除霜效果進行評價.前人所做的工作大多是對除霜管道結(jié)構進行優(yōu)化或者在玻璃處提供額外熱源以改善除霜效果，而從空氣動力學角度，專門針對提高關鍵可視區(qū)域除霜效果的研究較少.

傳統(tǒng)的除霜噴嘴位于風擋玻璃下部，暖氣流自下而上擴散開，霜霧也從下邊緣逐漸解化，對駕駛員視野影響較大位置的霜霧解化較慢，基于此，本文應用V點確定法，將關鍵視野區(qū)域進行細分，并提出了一種新的風擋除霜方法：設計一出風導向機構，運用動網(wǎng)格技術，使暖氣流的方向隨著時間變化，首先除去關鍵視野區(qū)域的霜霧，之后導向機構回復至初始位置，融化其他位置的霜層.

1數(shù)值計算方法

1.1網(wǎng)格劃分及邊界條件

乘員艙模型如圖1所示，由于其內(nèi)部幾何結(jié)構復雜，采用四面體網(wǎng)格離散，并對玻璃附近網(wǎng)格進行加密，玻璃厚度4 mm，霜層厚度0.5 mm，玻璃和霜層采用棱柱體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為130萬.

邊界條件：入口設置為速度入口，流量為380 m3/h，出口為壓力出口，其余為靜止壁面，空氣與玻璃、玻璃與霜層之間均為耦合熱邊界.計算過程中進行如下簡化：

1）將霜層視作一種流體，相變過程隨溫度變化，用液相率σ表征其融化狀態(tài)，

σ=T-TSTL-TS，TS

其中TS為固相溫度；TL為液相溫度；σ=1說明解化完成.

2）除霜過程只考慮熱傳導和熱對流，忽略了輻射對除霜的影響.

3）霜層在解化過程中僅發(fā)生相變，忽略冰霜融化后的流動.

1.2湍流模型

不同的湍流模型對流場計算結(jié)果會產(chǎn)生顯著影響[10].RNG kε模型主要通過在大尺度運動和修正后的黏度項體現(xiàn)小尺度的影響，將小尺度運動從控制方程中移除.在對NavierStokes方程進行雷諾時均化處理時，引進了雷諾應力項uiuj，為使方程組封閉，必須對雷諾應力做出某種假定，在大量的實驗基礎上推導出雷諾應力方程如下[11]：

這種湍流模型通過修正湍流黏度，考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)流動情況，可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較強的流動，因此它比較適合乘員艙內(nèi)部流場的仿真計算.

1.3數(shù)值計算方法的試驗驗證

除霜試驗需要環(huán)模風洞，成本較高，因此采用類似模型來驗證計算方法的合理性，文獻[12]采用某轎車風擋及HVAC模塊，玻璃傾角39°，厚6 mm，導熱率1.4 W，在擋風玻璃外表面安裝一塊功率為368 W/m2的矩形熱板（0.304 8 m×0.457 2 m），氣流從送風口吹向擋風玻璃，用T型熱電偶測得送風氣流溫度為25.5 ℃，最后采用液晶溫度傳感器測量熱板位置處玻璃內(nèi)壁的溫度分布.為了驗證數(shù)值方法的準確性，將仿真獲得的結(jié)果與Subrata Roy的試驗結(jié)果對比，圖2為玻璃內(nèi)表面Z=0.633 3 m位置點的試驗與仿真得出的溫度值，試驗值與仿真值較吻合，溫差在5°以內(nèi).圖3為熱板處玻璃內(nèi)表面溫度分布云圖，可以看出，試驗與仿真獲得的溫度分布趨勢非常相近.由計算結(jié)果可知，該數(shù)值計算方法可以用來模擬氣流沖擊傾斜玻璃面的流動和傳熱.

2初始模型

2.1關鍵可視區(qū)域劃分

目前，關鍵可視區(qū)域的確定主要方法有2種，一種是SAE提出的眼橢球法；另一種是EEC標準中提出的V點確定法[13].V點即表征駕駛員眼睛位置的點，它與通過駕駛員乘坐位置中心線的縱向鉛垂平面、R點（座椅基準點）及設計座椅靠背角有關.此點用于檢查汽車視野是否符合要求.通常用兩個不同的點V1，V2點來表示V點的不同位置.V點相對R點位置，由三維坐標系的X，Y，Z坐標確定，當座椅靠背角25°時的基本坐標如表1所示.

GB 11555-2009[14]沿用歐洲EEC標準，根據(jù)人體的視野范圍，采用V點確定關鍵可視區(qū)域，將風擋玻璃分為A，A和B區(qū)，對其除霜除霧時間做出規(guī)定.其中A和A區(qū)呈對稱分布，分別為駕駛員與副駕駛正對視野區(qū)域，實際生活中，人們首先關注的是對視野影響較大的位置并希望其霜霧能夠快速消失，因此將較重要的A區(qū)分成如圖4所示的8個域，命名為A1～A8，其中A1和A8分別為從視點V1仰視3°和V2俯視1°區(qū)域，A2～A7為駕駛員從視點V1，V2平視區(qū)域.

圖4玻璃分區(qū)示意圖

Fig.4Division of windshield glass

同時為更加準確地監(jiān)測霜層的解化過程，將與A，B區(qū)相對應位置的霜層分為3部分：命名為Ia，Ib，Ic，分別監(jiān)測其相變過程，各部分霜層之間以及霜層與玻璃之間采用耦合熱邊界.

2.2初始模型除霜效果

觀察不同時刻的除霜效果，如圖5所示，霜層最先開始解化的區(qū)域位于B區(qū)的下邊緣，此處為暖氣流沖擊區(qū)域，根據(jù)射流沖擊傳熱機理，該處的傳熱傳質(zhì)得到強化，傳熱系數(shù)遠高于其他位置，且氣流溫度較高，因而除霜最先完成；隨著時間的推移清晰的區(qū)域由下往上逐步擴展，霜層從120 s時刻開始解化，而到320 s左右A區(qū)依然沒有完全清晰，這種由下向上的除霜模式，導致司乘人員視野區(qū)域的霜層融化較慢，關鍵視野區(qū)域不能快速清晰，效果不甚理想.

為進一步說明造成這種現(xiàn)象的原因，觀察風擋內(nèi)部流場，圖6為駕駛室縱截面速度圖，可以看出，出風口位于風擋前端，暖氣流從風口流出后沖擊玻璃壁面，然后向上發(fā)散，均勻覆蓋玻璃內(nèi)壁，這樣的設計避免了吹風死角，保證了風擋霜霧解化的徹底性，但也導致A區(qū)除霜過緩，駕駛員視野不能快速清晰，行車過程中可能造成危險，因此下文在噴口處設計了出風導流裝置，使暖氣流首先流向A區(qū)，將A區(qū)大部分霜霧解化后，調(diào)整氣流方向，再除去其它位置，保證關鍵視野區(qū)域的霜霧快速消失.

3改進模型

3.1基本原理

為調(diào)整暖氣流流向，在噴嘴處添加如圖7所示的導向葉片P1，P2，使得暖氣流直接流向A區(qū)，這樣可以明顯改善A區(qū)的除霜效果，但因此也會導致玻璃下部霜霧難于解化，甚至形成吹風死角，因此將該葉片設計成可繞自身軸向旋轉(zhuǎn)的活動裝置，待A區(qū)霜霧基本除盡后，改變?nèi)~片偏轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)氣流方向的調(diào)整，基本原理為：初始時間段內(nèi)，導向片偏轉(zhuǎn)角度使氣流吹向A區(qū)，待其霜層解化后，葉片回復至初始位置，之后葉片保持靜止，即A區(qū)霜層解化后，葉片開始運動，公式表示如下：

葉片沿軸向的轉(zhuǎn)動采用動網(wǎng)格方法，F(xiàn)luent中具有3種動網(wǎng)格模型：彈簧近似光滑模型、動態(tài)分層模型和局部重劃模型.動態(tài)分層模型僅適用于四邊形和六面體網(wǎng)格，因此采用彈簧近似光滑和局部重劃模型，將導流葉片定義為rigid body，使之按給定的旋轉(zhuǎn)角速度繞自身中心軸線轉(zhuǎn)動，對導流片附近的網(wǎng)格變形及重新劃分，同時計算流動方程和能量方程.

3.2初始角度選擇

葉片偏轉(zhuǎn)角θ決定了暖氣流的分布，進而影響除霜效果，為使得A區(qū)除霜效果最佳，計算0～50°范圍內(nèi)10組偏轉(zhuǎn)角下A區(qū)的努賽爾數(shù)Nu，用最小二乘法擬合，得到A1～A8區(qū)的Nu隨θ變化曲線，可知當葉片偏轉(zhuǎn)角θ在42°左右時Nu達到最大，因此θ0選取42°.

3.3時間確定

當θ0=42°時，霜層液相率隨時間變化如圖10所示，t1=270 s時刻，A區(qū)霜層液相率達到0.8，霜層融化80%，基本清晰，B區(qū)和C區(qū)霜層融化55.5%，25.3%，為使葉片迅速恢復至垂直位置，除去B，C區(qū)霜層，令葉片以角速度ω=0.073 3 rad/s回轉(zhuǎn)，加載動網(wǎng)格模型.t2=280 s時刻，葉片回轉(zhuǎn)至θ=0°，網(wǎng)格停止運動，為保證計算精度提高效率，在不同時間段內(nèi)選用不同時間步長，網(wǎng)格變形過程中的時間步長為0.1 s，其余為1 s，最大迭代次數(shù)50次.

3.4瞬態(tài)流場分析

風擋內(nèi)表面的流場分布隨葉片轉(zhuǎn)動而變化，由圖11可知，葉片轉(zhuǎn)動前，速度較大的區(qū)域集中在A區(qū)，使該位置的霜層能快速解化，隨著時間推移，逐漸向下移動至B區(qū)域，280 s時刻停止.

3.5改進模型除霜效果

通過觀察除霜瞬態(tài)過程可以得出霜層的解化趨勢，圖14為改進后的除霜瞬態(tài)過程，A區(qū)霜層最先開始融化，并逐步向四周擴展，在280 s時A1～A8區(qū)已部分或完全清晰，A2，A3，A5，A6的霜層最先解化完成，形成一大片完整的視野區(qū)域，同時刻原模型僅有一小部分霜層解化.

4結(jié)論

本文針對風擋關鍵視野區(qū)域除霜過慢的問題，提出了一種新型方案，在風口位置設計了偏轉(zhuǎn)角度能隨時間變化的導向葉片，采用CFD方法，結(jié)合動網(wǎng)格技術，驗證了該方案理論上的可行性，具體結(jié)論如下：

1）與原模型相比，添加導向葉片后，且葉片偏轉(zhuǎn)角度為42°時，A區(qū)的努賽爾數(shù)提高13.7%.

2）0到270 s內(nèi)，葉片偏轉(zhuǎn)角度為42°，270 s到280 s內(nèi)，葉片以角速度ω=0.073 3 rad/s回轉(zhuǎn)，最終回復至θ=0°，在此過程中，A區(qū)除霜80%所需時間與原模型相比減少1 min，在玻璃外表面布滿霜層的環(huán)境下，實現(xiàn)了駕駛員關鍵視野區(qū)域的快速清晰.

3）將動網(wǎng)格方法運用到汽車內(nèi)流場的計算，實現(xiàn)了內(nèi)部邊界連續(xù)變化，使除霜氣流首先流向?qū)︸{駛員視野影響較大的A區(qū)，提高了A區(qū)除霜效率的同時避免造成吹風死角.

參考文獻

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