摘要

駕駛時，在擋風玻璃和側(cè)窗上有合理的氣流分布對于能見度的影響是至關(guān)重要的。在擋風玻璃上形成的霧或冰是看不清路況的主要原因，從而導致重大的安全問題。研究表明，在汽車暖風空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)除霜模式下，良好的流型和均勻的流量分布可以獲得較好的擋風玻璃能見度。在本研究中，利用STAR-CCM+建立了一個汽車客艙三維數(shù)值模型。采用RANS方法和可實現(xiàn)的k-ε湍流模型，模擬了除霜模式下風擋玻璃上的氣流場。詳細分析了暖風空調(diào)、通風管道和除霜格柵對風擋玻璃上的氣流分布進行了研究。利用相關(guān)研究將CFD模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了比較，并總結(jié)了數(shù)值測量與實驗測量的相關(guān)系數(shù)。計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。為了研究從計算域中排除暖風空調(diào)系統(tǒng)的影響，所以建立了第二個模型，發(fā)現(xiàn)除除霜通風管道外，暖風空調(diào)系統(tǒng)對數(shù)值結(jié)果有顯著影響。研究還表明，數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)以及平均誤差百分比的研究是比較擋風玻璃表面氣流分布的CFD仿真與實驗研究的可靠工具。

簡介

汽車擋風玻璃的能見度是安全駕駛的重要條件。除霜噴嘴必須能夠提供足夠的氣流，并分散和覆蓋擋風玻璃的整個內(nèi)表面。因此，汽車暖風空調(diào)系統(tǒng)除霜模式的CFD分析在過去幾年受到了整車廠和零部件供應商的重視。Roy等人用數(shù)值和實驗方法研究了氣流撞擊擋風玻璃斜面的問題。他們的工作代表了汽車暖風空調(diào)系統(tǒng)除霜模式下的射流，并報告了局部和平均傳熱系數(shù)。Ashraf和Huang使用CFD方法對除霜模式進行建模，并建議在任何新項目的早期階段使用CFD分析來優(yōu)化除霜噴嘴性能，以縮短開發(fā)周期。Chien等人用數(shù)值方法評估了汽車艙內(nèi)的氣流分布，結(jié)果與實驗測量結(jié)果很吻合。

本研究的目的是詳細評估空調(diào)暖風系統(tǒng)的除霜模式的性能，并確定一個指導方針，以便在項目的早期階段進行更好的性能預測。雖然，針對擋風玻璃和車內(nèi)的氣流分布已經(jīng)做了大量的工作，但這類分析的一些方面還有待改進，需要進行更多的研究。為了節(jié)約計算成本和時間，大部分分析都將空調(diào)暖風系統(tǒng)排除在計算域之外。在這種情況下，模擬中只考慮除霜管道和艙室。本研究研究了將空調(diào)暖風系統(tǒng)排除在計算域之外的影響。

此外，大多數(shù)研究的CFD分析與測試數(shù)據(jù)吻合良好，然而，需要進行CFD結(jié)果與實驗測量之間的比較定性研究。本文應用了一種利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對數(shù)值結(jié)果和實驗結(jié)果進行定性比較的方法。在相關(guān)性研究的基礎(chǔ)上，將幾個點的預測值與實驗測量值進行了比較，并指出了CFD預測的平均百分比誤差。

結(jié)果表明，通過流場的數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)研究和計算風擋玻璃上的平均百分比誤差，可以更好地研究風擋玻璃上的流動分布模擬流型。

計算域

為了研究在除霜模式下的暖風空調(diào)系統(tǒng)，分析了一輛汽車艙室的詳細幾何結(jié)構(gòu)，包括所有的管道、格柵和整個暖風空調(diào)系統(tǒng)。基于所提供的CAD數(shù)據(jù)，利用HyperMesh軟件建立了初始三角形面網(wǎng)格。將生成的面網(wǎng)格導入Star-CCM+軟件進行網(wǎng)格處理，得到更高質(zhì)量的面網(wǎng)格。為了更好地預測邊界附近的流動，計算單元選擇了具有兩個棱柱層的六面體網(wǎng)格。為了適應暖風空調(diào)系統(tǒng)和前艙的不同網(wǎng)格尺寸，使用了多個網(wǎng)格區(qū)域，其中，更細的網(wǎng)格應用于更好的精度，而在后艙部分，選擇了更粗的網(wǎng)格。圖1顯示了CFD分析中使用的幾何結(jié)構(gòu)。

圖1  包含空調(diào)暖風系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)

圖2  不包含空調(diào)暖風系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)

之前的一些研究只關(guān)注座艙和熱舒適分析，不包括空調(diào)暖風系統(tǒng)。從計算域中去除空調(diào)暖風系統(tǒng)減少了生成面網(wǎng)格和體網(wǎng)格所需的時間。此外，它大大降低了計算成本和時間。為了研究將空調(diào)暖風系統(tǒng)除的影響，建立了第二個模型，它基于第一個模型所建立?？照{(diào)暖風系統(tǒng)被排除在計算域之外，通過將進口區(qū)域擴大3到5個水力直徑來創(chuàng)建虛擬網(wǎng)格域(擴展區(qū)域)。該虛擬域提高了求解的收斂性，有較好的精度。圖2顯示了在第二次CFD分析中使用的幾何結(jié)構(gòu)。下文將圖1和圖2的CFD分析分別稱為case 1和case 2。

網(wǎng)格敏感性分析

在選擇網(wǎng)格大小之前，研究了網(wǎng)格獨立性。這種選擇通常基于數(shù)值精度和計算時間之間的權(quán)衡。本研究開始時研究了五種不同體積的網(wǎng)格尺寸，以選擇合適的網(wǎng)格尺寸。本研究選取了16、8、4、3和2毫米的網(wǎng)格尺寸進行網(wǎng)格獨立性研究。在所有情況下，在空調(diào)暖風系統(tǒng)和前座艙內(nèi)靠近擋風玻璃的任意4個點對數(shù)值結(jié)果進行網(wǎng)格尺寸的詳細分析。

如圖3所示，繪制這5個模型在不同網(wǎng)格尺寸下對所選4個點的速度值進行比較。結(jié)果表明，當單元尺寸為3 mm時，900萬體積單元模型滿足網(wǎng)格無關(guān)條件。由于使用更細的2毫米網(wǎng)格尺寸沒有顯示預測值的任何變化，不需要額外的試驗。因此，所有的分析都是基于3毫米的網(wǎng)格大小進行的。

圖3  不同尺寸網(wǎng)格在空調(diào)暖風系統(tǒng)中任意四點不同速度值

控制方程

本文采用RANS方法在穩(wěn)態(tài)條件下進行分析。為了使控制方程組封閉，必須使用適當?shù)耐牧髂Ｐ蛠碓u估雷諾應力張量。本文采用可實現(xiàn)的k-ε湍流模型模擬除霜模式下風擋玻璃上的氣流場。采用k-ε湍流模型是由于其簡單、魯棒性好、計算量小等優(yōu)點。此外，在之前的研究中觀察到與測試數(shù)據(jù)的良好相關(guān)性?？刂品匠炭杀硎緸橐话阈问綖?/span>

這里，φ分別代表三個速度分量u, v, w和湍流動能k以及耗散率ε。Γφ為變量φ的有效交換系數(shù)，Sφ為方程的源項。

邊界條件

如前所述，在本研究中，為了更好地預測擋風玻璃上的流量分布，我們研究了兩種不同的模型，即case 1和case 2。在case1中，以0.11848752 (kg/s)的流速向暖風空調(diào)系統(tǒng)的入口提供氣流，與測試條件類似(圖1)。入口段的空氣溫度為25℃，與測試條件類似。在case2中暖風空調(diào)系統(tǒng)被排除在分析范圍之外。在這種情況下，根據(jù)第一次分析的測量值，提供到除霜管道入口的空氣流量(圖2)，流速為0.079296518 (kg/s)。入口段的空氣溫度也在25°C。

結(jié)果和討論

氣流分布與流形

除霜管道有兩個出口，位于駕駛艙模塊上擋風玻璃的底部附近。除霜格柵的拍攝角度朝向擋風玻璃，除霜模式的目的是將氣流均勻地分布在擋風玻璃的整個內(nèi)表面。在本節(jié)中，給出了使用整個暖風空調(diào)系統(tǒng)和客艙幾何結(jié)構(gòu)的風擋玻璃上的流量分布的仿真結(jié)果，并詳細討論了與測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

圖4顯示了除霜管道出口的速度標量圖。速度標量圖顯示在駕駛側(cè)和乘客側(cè)都形成了高速區(qū)域。這些高速區(qū)域是將氣流傳播到整個擋風玻璃表面所必需的。

圖4  除霜管道出口的速度標量圖

圖5和圖6分別顯示了基于前后座艙視圖的速度值的流線。流線從除霜管道出口的700個點發(fā)出。很好地描繪和顯示了氣流在整個擋風玻璃內(nèi)表面的分布。

圖5  暖風空調(diào)系統(tǒng)除霜模式下從除霜管道流出的氣流流線圖(前視圖)

圖6  暖風空調(diào)系統(tǒng)除霜模式下從除霜管道流出的氣流流線圖(后視圖)

圖7顯示了距離擋風玻璃內(nèi)表面5mm的平面上的速度幅線。選擇距離內(nèi)風擋玻璃表面5mm的距離是基于實驗測量程序。在試驗研究中，對覆蓋整個風擋玻璃內(nèi)表面的104個點進行標記，并利用探頭測量和報告每個點的速度值。探頭在距離擋風玻璃表面5mm的距離測量。圖8顯示了被測速度值在艙內(nèi)的位置。

圖7  距離擋風玻璃內(nèi)表面5mm的平面上的速度幅線(case1)

圖8  被測速度在計算域中的位置

此外，為了直觀地比較CFD分析結(jié)果和實測值，所有的實驗測量結(jié)果都轉(zhuǎn)換為Excel生成的地圖(等高線)。圖9顯示了從實驗研究中得到的Excel生成的速度等值線。

CFD分析結(jié)果(圖7)與實測值(圖9)吻合較好。在實驗研究中，擋風玻璃駕駛員側(cè)的流速比乘客側(cè)的流速高。最大測速幅度約為6 m/s。CFD分析結(jié)果與目測結(jié)果一致，與試驗數(shù)據(jù)吻合較好。然而，除了視覺上的比較，我們還對模擬結(jié)果進行了詳細的分析，并在下一節(jié)中進行了敘述。

為了進行這樣的比較，將實驗測量中使用的相同坐標和測點導入STAR-CCM+軟件，并為每個點報告相應的速度值。因此，得到了試驗裝置各測點對應的預測流場速度值，用于進一步的統(tǒng)計分析和相關(guān)性研究。

圖9  距離風擋玻璃內(nèi)表面5mm處測量速度幅值輪廓

去除暖風空調(diào)系統(tǒng)

有幾位作者利用簡化的CFD模型研究了汽車客艙內(nèi)的流量分布，該模型不包括整個暖風空調(diào)系統(tǒng)。在這些案例中，他們使用了機艙的幾何形狀以及所有的管道出口和格柵的細節(jié)。由于在分析中包括空調(diào)暖風系統(tǒng)將大大增加計算成本，在本節(jié)中，我們研究了將空調(diào)暖風系統(tǒng)排除在計算域之外的影響，并調(diào)查了CFD結(jié)果的準確性。在這種情況下，所有的管道和除霜格柵都包含在詳細的分析和風擋玻璃上的氣流分布研究(case2)。

圖10顯示了距離擋風玻璃內(nèi)表面5mm的平面上的速度等值線。研究發(fā)現(xiàn)，排除空調(diào)暖風系統(tǒng)會影響沖擊風擋玻璃表面的氣流方向及其分布規(guī)律，從而降低計算精度。圖10還顯示了對于駕駛員側(cè)和乘客側(cè)氣流的預測。在case2中，駕駛員側(cè)的最大速度量級約為7.2米/秒。在實驗研究中，預測值比實測值高出20%。雖然在case1和case2中，除霜管道的排出氣流速率是相同的，但排出氣流的均勻性和方向在CFD分析中強烈依賴于模型配置和空調(diào)暖風系統(tǒng)。

圖10  距離風擋玻璃內(nèi)表面5mm處測量速度幅值輪廓(case2)

統(tǒng)計分析與相關(guān)性研究

為了更好地驗證預測的風擋玻璃上的氣流分布，使用皮爾遜相關(guān)方法進行了相關(guān)研究。相關(guān)系數(shù)是兩組數(shù)據(jù)相關(guān)性的可靠統(tǒng)計度量。Pearson相關(guān)系數(shù)(r)定義為:

式中，x為CFD分析各測點的實測值，y為實驗測量中同一測點的速度值。皮爾遜相關(guān)系數(shù)描述了這兩組數(shù)據(jù)之間的相似程度和關(guān)系，給出了一個介于?1和1之間的數(shù)字。

在本節(jié)中，用完整模型(case1)對風擋玻璃上的流量分布進行了預測，并與實測值進行了比較，報告了相關(guān)系數(shù)。在此情況下，統(tǒng)計分析表明，CFD預測與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，計算得到的相似度評估相關(guān)系數(shù)為0.82，表明預測的風擋玻璃流態(tài)與實驗觀測結(jié)果吻合較好。同樣的方法應用于case2，得到相關(guān)系數(shù)為0.81。case2的相關(guān)系數(shù)表明其模式與實驗測量的相似。

在這里，case1和case2的相關(guān)系數(shù)值的相同范圍與相關(guān)系數(shù)(r)的性質(zhì)有關(guān)，相關(guān)系數(shù)(r)經(jīng)過歸一化處理，沒有提供速度量級的比較。如前所述，case2中駕駛員側(cè)的最大速度量級值比實測值多20%，而相關(guān)系數(shù)與case1的報告值在相同的范圍內(nèi)。這一結(jié)果表明，雖然相關(guān)系數(shù)被認為是報告CFD結(jié)果與測試數(shù)據(jù)的相似性和模式分析的一個很好的特征，但它應該與百分比誤差計算一起進行。為了獲得可靠的結(jié)果和良好的模式預測，相關(guān)準則和百分比誤差計算應該一起進行和研究。

為了徹底比較這兩種CFD分析，即case1和case2與測試數(shù)據(jù)進行了簡單的統(tǒng)計分析。在這種情況下，風擋玻璃上的速度值的百分比誤差報告對應于圖8使用以下公式。

case1和case2的CFD分析的平均百分比誤差分別為16.1%和28%。平均百分比誤差清楚地表明，將整個暖風空調(diào)系統(tǒng)納入分析可以改進CFD預測。然而，在一些設計研究中，CFD分析的目的是在暖風空調(diào)系統(tǒng)不發(fā)生任何變化的情況下改進除霜管道。在這種分析中，一個建議是使用一個較小的域(即case2)，并在其進口上應用速度剖面。換句話說，只需運行一次整個域(即case1)，就可以導出除霜管道入口的數(shù)據(jù)，并將其作為入口邊界條件在更小的域內(nèi)進行多重設計分析。這一過程可以得到相同的結(jié)果，同時顯著降低CFD分析的計算成本。

結(jié)論

在本研究中，采用STAR-CCM+對暖風空調(diào)系統(tǒng)的汽車客艙進行了CFD分析，模擬了除霜模式下?lián)躏L玻璃上的氣流。詳細分析了暖風空調(diào)系統(tǒng)、除霜管道和除霜格柵(case1)，并對風擋玻璃上的氣流進行了研究。CFD分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，相似度評價的皮爾遜相關(guān)系數(shù)約為0.82。相關(guān)研究表明，預測的流型與實驗測量值具有良好的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)，在分析(case2)中，為了減少計算成本和時間，將暖風空調(diào)系統(tǒng)排除在外顯著影響了數(shù)值結(jié)果，不建議這樣做。case1和case2的CFD模擬平均百分比誤差分別為16.1%和28%。此外，研究還表明，皮爾遜相關(guān)系數(shù)是研究氣流模式的有用工具，但建議在除霜模式下對擋風玻璃上方的氣流進行分析時，同時使用這個相關(guān)系數(shù)和百分比誤差計算。

文章來源：CalsonicKansei North America, Inc.-Iman Goldasteh, Shi-Ing Chang, Salamah Maaita, Gursaran Mathur, "Numerical Simulation of Airflow Distribution on the Automobile Windshield in Defrost Mode," SAE Technical Paper 2015-01-0330, 2015,https://doi.org/10.4271/2015-01-0330