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出風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進(jìn)對汽車除霜性能的影響分析
2019-03-15 23:28:23· 來源：AutoAero 作者：劉盛達(dá)
在某款車型開發(fā)過程中，采用CFD與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，探討了汽車空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)特征對整車除霜性能的影響，特別是出風(fēng)格柵相對風(fēng)窗玻璃的碰撞角Φ對除霜效果的影
在某款車型開發(fā)過程中，采用CFD與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，探討了汽車空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)特征對整車除霜性能的影響，特別是出風(fēng)格柵相對風(fēng)窗玻璃的碰撞角Φ 對除霜效果的影響。通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證理論改進(jìn)的有效性，總結(jié)了格柵特征參數(shù)對汽車空調(diào)的除霜效率影響特性。
1.CFD物理模型與邊界條件
1.1 除霜區(qū)域劃分
除霜性能國家標(biāo)準(zhǔn)GB11555—2009
1.2 除霜過程分析
可將霜層變化視為流體來分析，以液相率σ 作為表征霜層變化的參數(shù),σ=0時(shí)，未進(jìn)行除霜;σ=1時(shí)，除霜完成。
式中，tice為霜層溫度，℃ ; tS 為固相溫度，℃ ; tL 為液相溫度，℃。
從傳熱學(xué)角度分析除霜過程，包括通過風(fēng)道出風(fēng)口的熱風(fēng)與玻璃的對流換熱和導(dǎo)熱、被加熱玻璃對霜層進(jìn)行的導(dǎo)熱和霜層與周圍環(huán)境進(jìn)行對流換熱等一系列傳熱過程。以A區(qū)為例，如圖所示，
A 區(qū)霜層簡化模型
霜層吸收的熱量Q為:
式中: λg為風(fēng)窗玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，W/( m·℃ ) ; L為風(fēng)窗玻璃厚度，m;t為除霜時(shí)間，s;S1為霜層與風(fēng)窗玻璃接觸面的面積，其余S2，S3，S4，S5和 S6為霜層與周圍空氣的接觸面積，m²; h為霜層與空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/( m²·℃ ) ; tτ為玻璃表面溫度,℃，tτ為時(shí)間τ的函數(shù); tair為空氣溫度，℃。根據(jù)汽車除霜除霧實(shí)驗(yàn)相關(guān)國標(biāo)GB11555—2009規(guī)定，一般設(shè)定tair為-20℃。
1.3 物理模型的建立
所用的乘員艙物理模型如下圖所示，
乘員艙網(wǎng)格模型
為保證CFD仿真的精確性，風(fēng)窗玻璃處的網(wǎng)格尺寸應(yīng)盡可能小，對風(fēng)道、格柵、風(fēng)窗玻璃和兩側(cè)玻璃能觀察到后視鏡的部分局部加密，采用2. 5mm的網(wǎng)格，其它區(qū)域采用10mm網(wǎng)格。體網(wǎng)格數(shù)量超過6百萬，求解器中,時(shí)間步長設(shè)置為1s; 內(nèi)部迭代為5次; 最大時(shí)間步2000步。先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，然后再將物理模型改為隱式不定常模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。
風(fēng)道模型如下圖所示，其中中間兩個(gè)為主出風(fēng)口，用于風(fēng)窗玻璃的除霜; 兩側(cè)為側(cè)出風(fēng)口，用于后視鏡視野區(qū)的除霜。
風(fēng)道模型體網(wǎng)格示意圖
汽車風(fēng)窗玻璃所在平面與氣流在XZ平面投影的夾角，稱為除霜出風(fēng)口處空氣的碰撞角，用Φ 表示，如圖所示,
碰撞角Φ 示意圖
1.4 邊界條件設(shè)定
計(jì)算時(shí)，假定空氣為不可壓縮流體，湍流模型為Realizable k-ε 模型，差分采用2階迎風(fēng)格式，隱式解法。在風(fēng)窗玻璃外表面激活thin film模型模擬霜層，霜層厚度根據(jù)國標(biāo)GB11555—2009相關(guān)規(guī)定，環(huán)境溫度設(shè)定為253±2K，動(dòng)態(tài)隨機(jī)變化。按照實(shí)驗(yàn)，計(jì)算的霜層厚度設(shè)定為0.44mm，除霜風(fēng)道入口空氣流量為350m³/ h。出口邊界為壓力出口，壓力設(shè)置為0。其它邊界均設(shè)置為壁面邊界。
2.風(fēng)道的改進(jìn)設(shè)計(jì)
除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)直接影響汽車空調(diào)的除霜性能，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法確定風(fēng)道的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行風(fēng)量配送的CFD仿真分析，對風(fēng)道不合理處進(jìn)行改進(jìn)。
下表為風(fēng)道的4個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量設(shè)計(jì)目標(biāo)與仿真得出的風(fēng)量分配結(jié)果。由表可知，中右出風(fēng)口風(fēng)量比例過高，超過了目標(biāo)值，而中左出風(fēng)口的風(fēng)量較少，會導(dǎo)致A'區(qū)除霜較快而A區(qū)較慢。
除霜風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量分配
針對以上問題，對風(fēng)道結(jié)構(gòu)不合理處進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，在風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處增加導(dǎo)流板，均勻兩出風(fēng)口的出風(fēng)量，引導(dǎo)熱風(fēng)向主駕駛除霜出風(fēng)口流動(dòng)，增加左側(cè)出風(fēng)口和中左側(cè)出風(fēng)口風(fēng)量，甚至超過中右側(cè)和右側(cè)出風(fēng)口的風(fēng)量，保證駕駛員正對的風(fēng)窗玻璃A區(qū)優(yōu)先除霜。改進(jìn)后的風(fēng)道風(fēng)量分配如表所示，由表可以看出，改進(jìn)后的風(fēng)道風(fēng)量分配比例較為合理。
改進(jìn)后除霜風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量分配
3.格柵布置的優(yōu)化
通過改進(jìn)風(fēng)道使各出風(fēng)口的風(fēng)量分配滿足實(shí)際需求后，再借助改變格柵相對風(fēng)窗玻璃的傾角，來改變碰撞角Φ 可能是進(jìn)一步改善除霜效果的有效方法。因此，設(shè)定碰撞角Φ為50°，55°，60°，65°和 70°進(jìn)行仿真，對不同角度時(shí)玻璃的平均溫度和霜層厚度進(jìn)行對比分析。
3.1 風(fēng)窗玻璃外表面平均溫度對比分析
碰撞角越小，熱風(fēng)距離風(fēng)窗玻璃內(nèi)表面距離越大，在熱風(fēng)吹向玻璃的過程中，與駕駛艙內(nèi)的空氣換熱量增加，使熱量有效率ηQ下降。碰撞角過大，熱風(fēng)吹向風(fēng)窗玻璃表面時(shí)，與玻璃接觸面積減小，使玻璃被加熱區(qū)域變小，也不利于快速除霜。
仿真結(jié)果如下圖所示，碰撞角Φ為50°和55°時(shí)，風(fēng)窗玻璃外表面溫度最高。
不同碰撞角玻璃外表面平均溫度變化曲線
3.2 霜層平均液相率σ 對比分析
下圖為不同碰撞角Φ 對應(yīng)的時(shí)間—平均液相率曲線由表可見，碰撞角Φ 為 55°時(shí)，效果最佳，除霜時(shí)間為1300s。
不同碰撞角對應(yīng)的時(shí)間-平均液相率曲線
在得出碰撞角Φ=55°除霜效果最好的結(jié)論后，為進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證，對Φ=54°和Φ=56°的除霜效果進(jìn)行仿真。900s 時(shí)，除霜效果如下圖所示，
Φ=54°和Φ=56°時(shí) 900s 除霜效果圖
與下圖比較可知，Φ=54°和Φ=56°的除霜效果都不如Φ = 55°時(shí)，故碰撞角 Φ = 55°時(shí)除霜效果最佳。
不同Φ 和時(shí)間下的除霜效果圖
4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行除霜實(shí)驗(yàn)。根據(jù)國標(biāo)GB11555—2009，將被測車輛置于能容納被測車輛且維持實(shí)驗(yàn)溫度在-18±3℃ 的低溫實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，用噴槍將 0. 044g /cm³乘以風(fēng)窗玻璃面積值的水量均勻地噴射在玻璃外表面上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖，
實(shí)驗(yàn)除霜效果圖
首先開始除霜是駕駛員側(cè)對應(yīng)的A區(qū)，這與改進(jìn)風(fēng)道后仿真得出的風(fēng)量配送比一致。在碰撞角Φ=55°實(shí)驗(yàn)得出的除霜時(shí)間為1340s，與經(jīng)過CFD仿真分析的結(jié)果進(jìn)行比較，誤差為4% ，認(rèn)為仿真結(jié)果有效。
5.結(jié)論
(1) 將風(fēng)道與格柵作為整體進(jìn)行改進(jìn)，利用 CFD仿真軟件，對某汽車開發(fā)過程中汽車空調(diào)的除霜性能進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)原除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致風(fēng)量分配不合理，除霜效率低。通過改進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu)，調(diào)整風(fēng)量分配，滿足了風(fēng)量分配的設(shè)計(jì)要求。
(2) 在風(fēng)道達(dá)到合理分配的基礎(chǔ)上，對格柵的布置進(jìn)行改進(jìn)，通過STAR-CCM+對三維乘員艙模型在不同碰撞角Φ 下進(jìn)行數(shù)值模擬。得出Φ=55°是最佳除霜碰撞角，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
(3) 在車型開發(fā)過程中，可采用CFD仿真分析的方式對風(fēng)道和格柵碰撞角Φ的數(shù)值模擬，以減少開發(fā)周期和成本。
文章節(jié)選自：
李明,李國迪,趙衛(wèi)兵,王淼.出風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進(jìn)對汽車除霜性能的影響分析[J].汽車工程,2018,40(11):1364-1369+1375.
編者：劉盛達(dá)
評論潤色：張英朝
如有意相關(guān)技術(shù)合作，請聯(lián)系張英朝教授，發(fā)郵件至：yingchao@jlu.edu.cn！
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