黃澤好 林嘉玉 樊喜龍

(1. 汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054； 2. 重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院， 重慶 400054)

0 前 言

汽車空調(diào)風(fēng)管除霜性能直接影響駕駛員的視線。我國(guó)自1984年制定汽車風(fēng)窗除霜標(biāo)準(zhǔn)以來，一直將除霜系統(tǒng)作為汽車強(qiáng)制執(zhí)行的檢測(cè)指標(biāo)之一[1]。目前，大多數(shù)研究采用流體動(dòng)力學(xué)(CFD)法對(duì)汽車擋風(fēng)玻璃的除霜性能進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，不僅能縮短設(shè)計(jì)成本，還能加快研發(fā)進(jìn)程[2-3]。陶其銘等人通過汽車除霜風(fēng)道內(nèi)部流場(chǎng)仿真，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部擾流板導(dǎo)致風(fēng)道內(nèi)存在不同類型的渦流，并據(jù)此對(duì)除霜風(fēng)道作了改進(jìn)[4]。Huang等人通過CFD分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)出風(fēng)口角度可以提高除霜效果[5]。申紅麗等人應(yīng)用CFD方法驗(yàn)證，在空調(diào)風(fēng)道中加導(dǎo)流片能優(yōu)化出風(fēng)量以提高乘客的熱舒適性[6]。谷正氣等人研究了空調(diào)風(fēng)管在不同送風(fēng)工況下霜隨時(shí)間的變化規(guī)律，采用數(shù)值優(yōu)化算法對(duì)其作了改進(jìn)[7]。

在當(dāng)前關(guān)于乘用車除霜性能的大量研究中，缺乏詳盡的商用車除霜標(biāo)準(zhǔn)研究[8]。另外，商用車前擋風(fēng)玻璃面積大，且出風(fēng)方向與儀表盤夾角直接影響對(duì)玻璃頂部的除霜效果。因此，我們可以參照乘用車除霜標(biāo)準(zhǔn)對(duì)商用車的除霜性能進(jìn)行分析。本次研究綜合運(yùn)用穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)值模擬方法，根據(jù)穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果評(píng)價(jià)輕型卡車風(fēng)管的除霜效果，通過瞬態(tài)仿真驗(yàn)證改進(jìn)后的風(fēng)管除霜性能。

1 除霜模型的建立

1.1 空調(diào)風(fēng)管除霜數(shù)學(xué)模型

針對(duì)汽車空調(diào)除霜風(fēng)管前擋風(fēng)玻璃和兩側(cè)玻璃進(jìn)行除霜性能仿真分析時(shí)，整個(gè)除霜過程中的氣流流動(dòng)可視為湍流流動(dòng)，滿足N-S方程[9]。湍流流動(dòng)是一個(gè)比較復(fù)雜的流動(dòng)形態(tài)，因此，計(jì)算中需要附加湍流方程以形成閉環(huán)方程。Realizable K-epsilon湍流模型考慮了氣流從風(fēng)管流向駕駛室所具有的圓柱射流效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果更為精確[10]，因而選該模型用于空調(diào)風(fēng)管除霜性能分析。其湍流方程如下：

Gk+Gb-ρ·ε-YM+Sk

(1)

(2)

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率；uj為流體在x方向上的流速分量；Gk、Gb為湍動(dòng)能項(xiàng)；ρ為流體密度；v為y方向上的流速分量；C1ε、C3ε為常數(shù)；σk、σε分別是k、ε的湍流普朗特?cái)?shù)；μ為湍流黏度；μt為渦黏系數(shù)；YM為耗散項(xiàng)；Sk、Sε為用戶自定義源項(xiàng)；C1=1.44，C2=1.90，σk=1.00，σε=1.20。

1.2 除霜風(fēng)管幾何模型

以某輕型卡車為例建立幾何模型(見圖1)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中保留了包括擋風(fēng)玻璃、除霜風(fēng)管、格柵、儀表臺(tái)、座椅、地板、頂棚等對(duì)整個(gè)駕駛室玻璃除霜性能有著重要影響的部件，以保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 某輕型卡車駕駛室?guī)缀文Ｐ?/p>

首先，將幾何模型導(dǎo)入到HyperMesh軟件中進(jìn)行前處理，模型的網(wǎng)格質(zhì)量決定了CFD仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算成本[11]。在前處理和劃分過程中，擋風(fēng)玻璃采用5 mm的網(wǎng)格，風(fēng)管采用3 mm的網(wǎng)格，允許有1 mm的偏差。其次，將劃分好的面網(wǎng)格導(dǎo)入到STAR-CCM+系統(tǒng)中。由于玻璃對(duì)除霜效果的影響最大，故根據(jù)玻璃厚度采用每層1 mm、總共5層的邊界層網(wǎng)格，設(shè)置玻璃外部霜層為0.5 mm的邊界層網(wǎng)格，周圍局部結(jié)構(gòu)為2 mm的體網(wǎng)格，其余結(jié)構(gòu)最大為24 mm的體網(wǎng)格。為了使氣流運(yùn)動(dòng)軌跡及除霜效果仿真結(jié)果更加精準(zhǔn)，將除霜風(fēng)管、空調(diào)箱、擋風(fēng)玻璃設(shè)定為網(wǎng)格加密區(qū)，整個(gè)模型共生成3 251 707個(gè)體網(wǎng)格。 網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 輕型卡車駕駛室網(wǎng)格模型

1.3 材料屬性與邊界條件

材料對(duì)于霜層融化時(shí)能量的消耗有較大影響。如霜層、玻璃及空氣的物理屬性對(duì)瞬態(tài)計(jì)算分析有較大影響，其材料屬性如表1所示。此外，入口溫度是影響霜層時(shí)間變化的重要因素，如圖3所示。采用穩(wěn)態(tài)分析法考察除霜風(fēng)管內(nèi)部風(fēng)速流和玻璃壁面風(fēng)速覆蓋情況，計(jì)算時(shí)間短，結(jié)果穩(wěn)定。指定進(jìn)口的體積流量為380 m3/h，出口為壓力出口。當(dāng)除霜風(fēng)管工作時(shí)，風(fēng)門完全開啟，出風(fēng)量為最大狀態(tài)，外界環(huán)境溫度設(shè)置為-18 ℃。

表1 材料屬性

圖3 入口溫升曲線

2 除霜系統(tǒng)性能評(píng)估及改進(jìn)

2.1 除霜系統(tǒng)性能評(píng)估

原始除霜風(fēng)管出風(fēng)口如圖4所示，其實(shí)際出風(fēng)口風(fēng)量與理想比值存在偏差(見表2)。風(fēng)管左出風(fēng)口風(fēng)量分配比為3.14%，低于理想風(fēng)量，會(huì)直接導(dǎo)致左側(cè)玻璃除霜效果不理想；風(fēng)管右出風(fēng)口風(fēng)量分配比為7.18%，與理想風(fēng)量差距較小，但其除霜效果極有可能不達(dá)標(biāo)。對(duì)于汽車擋風(fēng)玻璃穩(wěn)態(tài)除霜效果，可依據(jù)風(fēng)速覆蓋面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估。

圖4 除霜風(fēng)管出入口示意圖

表2 除霜風(fēng)管風(fēng)量分配比

車窗擋風(fēng)玻璃穩(wěn)態(tài)除霜分析結(jié)果如圖5所示。其中，前擋風(fēng)玻璃A區(qū)近壁面被速度≥2 m/s的風(fēng)覆蓋部分面積占比為22.4%，此比例與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比例90%相差甚遠(yuǎn)；前擋風(fēng)玻璃視野區(qū)B區(qū)近壁面被速度≥1.5 m/s 的風(fēng)覆蓋部分面積占比為52%，此比例與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比例85%仍相差33%。因此，A、B區(qū)的除霜效果均不符合行業(yè)要求。同時(shí)，主駕側(cè)玻璃視野區(qū)近壁面沒有被速度≥1 m/s的風(fēng)完全覆蓋，副駕側(cè)玻璃視野區(qū)近壁面尤其是上部視野區(qū)未被速度≥1 m/s的風(fēng)完全覆蓋。因此，主駕、副駕側(cè)玻璃的除霜效果也不符合行業(yè)要求，其風(fēng)管結(jié)構(gòu)需加以改進(jìn)。

2.2 除霜風(fēng)管結(jié)構(gòu)改進(jìn)

研究表明，解決擋風(fēng)玻璃除霜效果不合格的問題，不能僅靠對(duì)除霜風(fēng)管進(jìn)口溫度的調(diào)節(jié)[13]。由前窗擋風(fēng)玻璃內(nèi)部流場(chǎng)流線分布云圖(見圖6)可以看出，風(fēng)管出風(fēng)口流線主要集中在兩側(cè)，中間無流線分布。因此，考慮通過修改風(fēng)管結(jié)構(gòu)的方法優(yōu)化出風(fēng)口風(fēng)量分布，調(diào)整風(fēng)管出口風(fēng)量。

圖5 原始風(fēng)管穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果

圖6 前窗擋風(fēng)玻離內(nèi)部流場(chǎng)流線分布云圖

針對(duì)風(fēng)管內(nèi)部導(dǎo)向筋數(shù)目、側(cè)窗出風(fēng)口面積和前擋風(fēng)玻璃與出風(fēng)口間夾角這3個(gè)因數(shù)，取每個(gè)因數(shù)的3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，共需要進(jìn)行27次試驗(yàn)。而進(jìn)行正交試驗(yàn)，僅需9次即可找出最優(yōu)方案。根據(jù)工程實(shí)踐并結(jié)合因數(shù)水平表(見表3)，得到改進(jìn)結(jié)果：增加3個(gè)風(fēng)管內(nèi)部導(dǎo)向筋，縮減中間位置兩個(gè)出風(fēng)口距離，重新構(gòu)造左側(cè)和中央導(dǎo)向筋(見圖7a)。

兩側(cè)擋風(fēng)玻璃視野區(qū)近壁面未完全被速度≥1 m/s的風(fēng)覆蓋，因此需增大兩側(cè)除霜風(fēng)管出風(fēng)口的出口面積(見圖7b)。前窗擋風(fēng)玻璃左上區(qū)域顯示無風(fēng)量流過，左下區(qū)域近壁面風(fēng)速較大且完全緊密覆蓋。初步判斷這是因?yàn)榍皳躏L(fēng)玻璃與除霜風(fēng)管出風(fēng)口間的夾角偏大所致，因此調(diào)整模型，減小前窗擋風(fēng)玻璃與除霜風(fēng)管出風(fēng)口間的夾角(見圖7c)。

表3 因素水平表

圖7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比

2.3 風(fēng)管改進(jìn)后的穩(wěn)態(tài)除霜效果分析

針對(duì)風(fēng)管風(fēng)量導(dǎo)向、側(cè)窗出風(fēng)口面積、前擋風(fēng)玻璃與出風(fēng)口夾角這3個(gè)因數(shù)提出除霜風(fēng)管結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。方案實(shí)施后，除霜效果有顯著提高，前窗擋風(fēng)玻璃基本被風(fēng)覆蓋，各出風(fēng)口風(fēng)量分配比達(dá)到理想風(fēng)量分配比要求(見表4)。

改進(jìn)后的穩(wěn)態(tài)除霜效果如圖8所示。其中，前擋風(fēng)玻璃視野A區(qū)近壁面被速度≥2 m/s的風(fēng)覆蓋部分面積占比為90.51%，A′區(qū)近壁面被速度≥2 m/s的風(fēng)覆蓋部分面積占比達(dá)100%，二者均大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的占比。故A、A′區(qū)穩(wěn)態(tài)除霜效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，前擋風(fēng)玻璃視野B區(qū)被速度為1.5 m/s的風(fēng)覆蓋部分面積占比達(dá)到95.15%，大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此B區(qū)除霜效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合來看，主駕駛側(cè)玻璃視野區(qū)域近壁面完全被速度≥1m/s的風(fēng)覆蓋，副駕側(cè)玻璃視野區(qū)近壁面完全被速度≥1 m/s的風(fēng)覆蓋，這表明駕駛室兩側(cè)窗玻璃除霜效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。改進(jìn)后，除霜風(fēng)管各出風(fēng)口風(fēng)量占比均達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，前擋風(fēng)玻璃視野區(qū)、兩側(cè)玻璃視野區(qū)除霜效果也滿足除霜要求。

表4 改進(jìn)后除霜風(fēng)管各出風(fēng)口風(fēng)量分配比

圖8 改進(jìn)后的穩(wěn)態(tài)除霜效果

3 除霜系統(tǒng)性能瞬態(tài)分析

通過除霜性能瞬態(tài)分析來評(píng)估汽車前擋風(fēng)玻璃除霜效果。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)汽車風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能要求如表5所示[1]。

經(jīng)本次改進(jìn)后的霜層融化效果如圖9所示。其中，當(dāng)除霜進(jìn)行到215 s時(shí)，前擋風(fēng)玻璃上的霜層從最外表面逐漸融化，且在除霜風(fēng)管出風(fēng)口處最先融化。當(dāng)除霜進(jìn)行到1 200 s時(shí)，A區(qū)霜層融化面積達(dá)到80%，A′區(qū)的霜層融化面積達(dá)到100%，二者均滿足要求。當(dāng)除霜進(jìn)行到1 710 s時(shí)，前擋玻璃所有霜層融化的時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間縮短10 min以上。

表5 汽車風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能要求

圖9 經(jīng)本次改進(jìn)后的霜層融化效果

3 結(jié) 語(yǔ)

本次研究中，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，研究輕型卡車的空調(diào)除霜效果， 以CFD穩(wěn)態(tài)分析法預(yù)測(cè)卡車除霜系統(tǒng)性能。針對(duì)不符合除霜要求的風(fēng)管結(jié)構(gòu)，根據(jù)風(fēng)道空間流線圖提出改進(jìn)方案，以改善除霜效果。瞬態(tài)仿真分析結(jié)果顯示，改進(jìn)后各個(gè)除霜風(fēng)管出風(fēng)口風(fēng)量分配比和各區(qū)域風(fēng)速覆蓋面積均滿足要求。同風(fēng)速下，改進(jìn)后的除霜風(fēng)管除霜效果顯著增強(qiáng)，除霜時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間縮短了10 min以上。 輕型卡車除霜風(fēng)管的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指向性和可靠性，根據(jù)風(fēng)量的覆蓋面來調(diào)節(jié)導(dǎo)向筋個(gè)數(shù)及形狀，完全可以有效地改善風(fēng)量分配情況。