張大偉，林偉，李金磊，楊慶如（山東沂星電動(dòng)汽車有限公司，山東臨沂276000）

某客車除霜風(fēng)口設(shè)計(jì)布置及CFD仿真分析

張大偉，林偉，李金磊，楊慶如
（山東沂星電動(dòng)汽車有限公司，山東臨沂276000）

介紹M3類客車除霜風(fēng)口設(shè)計(jì)要點(diǎn)，重點(diǎn)分析M3類客車除霜目標(biāo)區(qū)域的確定、除霜風(fēng)口的布置及吹風(fēng)方向的設(shè)計(jì)，闡述利用有限元分析軟件進(jìn)行CFD除霜仿真分析的步驟，為M3類客車除霜風(fēng)口設(shè)計(jì)布置設(shè)計(jì)提供參考。

客車除霜；風(fēng)口；設(shè)計(jì)布置；CFD仿真

汽車除霜除霧功能屬于汽車安全行駛的重要性能指標(biāo)，除霜效果的好壞直接影響駕駛員行車視野的清晰程度，對(duì)駕駛員及乘客的安全有著重要作用。目前關(guān)于M3類客車的除霜風(fēng)口設(shè)計(jì)及相關(guān)分析文獻(xiàn)較少。本文主要根據(jù)M1類汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，類比對(duì)某M3類12 m客車除霜風(fēng)口的布置設(shè)計(jì)及除霜仿真分析進(jìn)行說明。

圖1 風(fēng)擋玻璃除霧區(qū)域示意圖

1 除霜風(fēng)口設(shè)計(jì)布置

M1類汽車除霜除霧國家標(biāo)準(zhǔn)有GB 11555-2009[1]和GB 24552-2009[2]，而客車乘員數(shù)量較多，需更加重視客車除霜性能；本文根據(jù)M1類汽車除霜標(biāo)準(zhǔn)對(duì)M3類客車A區(qū)及A′區(qū)已完成除霜除霧的面積增加5%，因此對(duì)M3類客車除霜除霧規(guī)定如下：要求M3類客車除霜開始后20 min內(nèi)，A區(qū)域內(nèi)有85%面積已完成除霜；除霜開始后25 min內(nèi)，A′區(qū)域內(nèi)有85%面積已完成除霜；除霜開始后40 min內(nèi)，B區(qū)域內(nèi)有95%面積已完成除霜。除霧開始后10 min內(nèi)，A區(qū)域內(nèi)有95%面積已完成除霧，B區(qū)域內(nèi)有80%面積已完成除霧[1-2]。目標(biāo)區(qū)域劃分如圖1所示。

1.1 前除霜風(fēng)口布置原則

為保證除霜口出風(fēng)在前風(fēng)擋玻璃表面形成完整風(fēng)幕，達(dá)到除霜效果，需保證除霜風(fēng)口布置合理，出風(fēng)角度正確。設(shè)計(jì)布置原則如下[3-7]：

1）除霜器的風(fēng)口位置設(shè)在距離前風(fēng)擋玻璃80～100 mm遠(yuǎn)處，風(fēng)口需布置在儀表臺(tái)前端。

2）風(fēng)口Y向總長(zhǎng)度不小于前風(fēng)擋玻璃Y向?qū)挾鹊?/3，根據(jù)前風(fēng)擋玻璃寬度布置相應(yīng)數(shù)量風(fēng)口，保證能夠形成完整風(fēng)幕。

3）風(fēng)口前邊緣點(diǎn)與駕駛員視野前風(fēng)擋交點(diǎn)連線與風(fēng)擋玻璃夾角在3°～20°之間，角度根據(jù)前風(fēng)擋傾斜角度增大而增大；并且除霜風(fēng)口角度有旋轉(zhuǎn)可調(diào)功能。

4）除霜風(fēng)道管路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少彎曲，防止造成回風(fēng)出現(xiàn)熱量損失，避免風(fēng)速降低。

5）風(fēng)口上端距離車輛內(nèi)地板高度為600～650 mm，除霜效果最好（駕駛員視野線與前風(fēng)擋交點(diǎn)高度1 000 mm以上）。

根據(jù)以上布置原則，M3類客車前除霜風(fēng)口布置范圍如圖2所示。

圖2 風(fēng)口布置區(qū)域及氣流方向

1.2 前除霜風(fēng)口吹風(fēng)方向

如圖2所示，作經(jīng)過眼點(diǎn)與水平平面成α（該α夾角為噴射點(diǎn)所在平面與眼點(diǎn)中心點(diǎn)連線并與水平面所成的夾角）的直線為駕駛員正常行駛時(shí)視力所及位置，α夾角大小直接影響前除霜風(fēng)口的吹風(fēng)方向，而夾角α數(shù)值則根據(jù)眼點(diǎn)距離地面的高度決定；當(dāng)眼點(diǎn)距離地面0～1 000 mm時(shí)，夾角α為2°～4°；當(dāng)眼點(diǎn)距離地面1 000～1 250 mm時(shí)，夾角α為4°～6°；當(dāng)眼點(diǎn)距離地面1 250 mm以上時(shí)，夾角α為6°～8°。

除霜風(fēng)口吹出熱風(fēng)需遵守?zé)o阻擋原則，且需在α夾角視線與前風(fēng)擋交點(diǎn)以下200～250 mm處形成風(fēng)幕；現(xiàn)12 m客車該眼點(diǎn)距離地板高度約為1 050～1 100 mm，并作α為4°～6°夾角下視野線，以此視野線與前風(fēng)擋輪廓線的交點(diǎn)做與前風(fēng)擋成25°～30°夾角的直線，該直線方向即為前除霜風(fēng)口主氣流方向，以此方向吹出氣流除霜效果最佳；且此吹風(fēng)方向位于A區(qū)、B區(qū)下邊緣則滿足要求[6]。

1.3 除霜口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

客車常用出風(fēng)口外形主要有圓孔形及長(zhǎng)條形，兩者主要區(qū)別在于：圓形風(fēng)口一般采用波紋管直接連接，且圓形風(fēng)口的吹風(fēng)橫截面積要大于長(zhǎng)條形風(fēng)口（直徑φ50的圓形風(fēng)口橫截面積比220 mm×4.5 mm的長(zhǎng)條形風(fēng)口大一倍左右），且圓形風(fēng)口吹風(fēng)速度下降較快，不易吹到預(yù)定部位，除霜效果不好；圓形風(fēng)口在前風(fēng)擋所形成的風(fēng)幕寬度較窄，需布置多個(gè)風(fēng)口才能滿足除霜要求，成本增加，外觀效果不良，因此選取小截面風(fēng)口除霜效果最好[6]。

使用同等功率及流量的除霜器，長(zhǎng)條形風(fēng)口吹風(fēng)速度要明顯大于圓形風(fēng)口，能形成較大風(fēng)幕，使用數(shù)量較少；客車長(zhǎng)條形除霜風(fēng)口開口寬度在3～5 mm，開口長(zhǎng)度方向?yàn)榍帮L(fēng)擋的Y方向，開口長(zhǎng)度在180～230 mm，風(fēng)口吹出氣流與風(fēng)口上下、左右邊界的夾角為10°；前風(fēng)擋除霜風(fēng)口布置總長(zhǎng)度不小于前風(fēng)擋Y向長(zhǎng)度的2/3，且風(fēng)口出風(fēng)角度上下可調(diào)節(jié)[6]。

側(cè)除霜風(fēng)口可根據(jù)除霜區(qū)域大小及儀表臺(tái)空間限制可布置圓形風(fēng)口，風(fēng)口吹風(fēng)方向盡量覆蓋外后視鏡在側(cè)窗的投影區(qū)域。

2 風(fēng)口CFD除霜仿真分析

除霜風(fēng)口設(shè)計(jì)及布置完成后，要進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析，以檢查除霜系統(tǒng)性能是否滿足參考國標(biāo)而規(guī)定的除霜要求。若不符合要求，則需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，再次進(jìn)行仿真分析直到符合要求為止。這種方式能節(jié)省成本及開發(fā)周期[8-11]。

2.1 CFD除霜分析仿真模型

1）為節(jié)省計(jì)算資源及時(shí)間，本文應(yīng)用CATIA軟件建立客車除霜分析模型，包括簡(jiǎn)易儀表板、出風(fēng)口、前風(fēng)擋玻璃、簡(jiǎn)易封閉駕駛艙，并設(shè)計(jì)進(jìn)口位置和出口位置等；利用Hypermesh軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格總數(shù)為30萬個(gè)，區(qū)域最大網(wǎng)格尺寸為20 mm，區(qū)域最小網(wǎng)格尺寸為5 mm，并對(duì)前風(fēng)擋玻璃A/A′/B區(qū)域范圍以內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格加密以保證更準(zhǔn)確模擬分析，如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)易三維模型及網(wǎng)格劃分

2）輸入分析使用的邊界條件。根據(jù)市場(chǎng)上已有的除霜器運(yùn)行參數(shù)，設(shè)定12 m客車除霜風(fēng)口進(jìn)口條件為：流量1 200 m3/h；除霜?dú)饬鞒隹跅l件為：環(huán)境大氣壓（1個(gè)大氣壓）。

3）利用CFD軟件對(duì)簡(jiǎn)易模型進(jìn)行除霜分析。輸入進(jìn)口流量及出口壓力數(shù)值，設(shè)置除霜模擬時(shí)間為45min，經(jīng)過計(jì)算得到前風(fēng)擋玻璃除霜CFD分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 45 min內(nèi)除霜分析結(jié)果云圖

2.2 CFD除霜分析結(jié)果

從圖4可以看出，除霜開始10 min后前風(fēng)擋A區(qū)域及A′區(qū)域左右上角位置尚有30%面積未完成除霜，這是由于前期設(shè)計(jì)除霜器布置在汽車儀表板中間位置，且中間通風(fēng)管路相比兩端較短，中間風(fēng)口會(huì)優(yōu)先吹出溫度較高、風(fēng)速較大的氣流；因此會(huì)造成前風(fēng)擋玻璃中間部位除霜程度大于兩端位置；隨除霜時(shí)間不斷延長(zhǎng)后，我們得到40 min后A區(qū)域及A′區(qū)域98%基本完成除霜，B區(qū)域已有95%完成除霜；根據(jù)本文規(guī)定的除霜要求判定此客車除霜性能通過，客車的除霜風(fēng)口設(shè)計(jì)及布置合格。

3 總結(jié)

客車前風(fēng)擋除霜效果不僅取決于除霜風(fēng)口布置及設(shè)計(jì)，還取決于除霜器系統(tǒng)的功能，因此需與電器工程師共同分析并確認(rèn)。另外，結(jié)合運(yùn)用CFD分析手段模擬分析除霜效果對(duì)指導(dǎo)客車除霜設(shè)計(jì)及改進(jìn)優(yōu)化具有重要意義。

[1]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法：GB 11555-2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：9.

[2]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)：電動(dòng)汽車風(fēng)窗玻璃除霜除霧系統(tǒng)的性能要求及試驗(yàn)方法：GB/T 24552-2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：10.

[3]劉杰，劉繼蘭.客車采暖與前風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2000，22（1）：17-18.

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修改稿日期：2017-03-28

Design Layoutand CFD Simulation ofa Coach Defrosting Wind Outlets

Zhang Dawei,Lin Wei,LiJinlei,Yang Qingru
（Shandong YiXing Electric Vehicle Co.,Ltd,Linyi276000,China)

The authors introduce the attention items ofdefrosting wind outlets for a of M3coach,emphatically analyze the ascertainment ofthe defrosting target area,the layoutofthe defrosting wind outlets and the design of the blowing wind direction,expound the steps of CFD defrosting simulation by the finite elementanalysis software,to provide a reference forlayoutdesign ofthe defrosting wind outlets for M3type coaches.

coach defrosting；wind outlet；design layout;CFDsimulation

U463.83+8

B

1006-3331（2017）04-0043-03

張大偉（1989-），男，碩士；工程師；主要從事汽車內(nèi)外飾的設(shè)計(jì)及研發(fā)工作。