摘要

以暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，該設(shè)備的主要功能是控制車(chē)內(nèi)的氣候系統(tǒng)，更重要的是確保擋風(fēng)玻璃上的關(guān)鍵區(qū)域在寒冷的天氣條件下能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)除霜。隨著電動(dòng)汽車(chē)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)的出現(xiàn)，高壓空調(diào)的能源效率及其噪音也得到了進(jìn)一步的重視。在高壓交流汽車(chē)除霜模式的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，首先要滿足除霜性能的認(rèn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證車(chē)輛的安全性。由于在早期階段無(wú)法建立車(chē)輛內(nèi)部的真實(shí)原型，這可能導(dǎo)致通過(guò)高壓交流除霜寄存器的質(zhì)量流量增加，從而增加高壓交流的噪音水平。此外，在早期設(shè)計(jì)階段沒(méi)有詳細(xì)考慮擋風(fēng)玻璃和除霜器地形的復(fù)雜性，從而導(dǎo)致死區(qū)和阻礙能見(jiàn)度。有限的測(cè)試主要集中在通過(guò)除霜規(guī)定，導(dǎo)致更多的除霜噪音，和消費(fèi)者的投訴。在本文中，我們將提出一種新的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法，通過(guò)虛擬除霜性能認(rèn)證來(lái)數(shù)字化設(shè)計(jì)安靜的高壓交流系統(tǒng)，從而縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。使用這種方法，我們將證明模擬可以用于驅(qū)動(dòng)基于CAD的參數(shù)優(yōu)化中除霜性能和噪聲的早期優(yōu)化。

簡(jiǎn)介

在當(dāng)今世界，隨著對(duì)清潔能源的需求不斷增長(zhǎng)和舒適性的提高，越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)被制造出來(lái)。這與消費(fèi)者期望的轉(zhuǎn)變相結(jié)合，購(gòu)買(mǎi)者不再基于駕駛體驗(yàn)來(lái)評(píng)估產(chǎn)品，而是基于車(chē)輛提供的旅行體驗(yàn)。這些新的期望只有在所有的設(shè)施和感官舒適，如聲學(xué)、熱舒適(乘客和司機(jī))和座椅舒適，得到滿足時(shí)才能得到滿足。

根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)的數(shù)據(jù)，到2030年，將有1.4億輛汽車(chē)采用全電動(dòng)或混合動(dòng)力系統(tǒng)。為了滿足日益嚴(yán)格的汽車(chē)排放和除霜標(biāo)準(zhǔn)，世界各地的原始設(shè)備制造商都在大力投資，夜以繼日地開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)模型。在這個(gè)過(guò)程中有許多障礙，其中最具挑戰(zhàn)性的兩個(gè)是在極端天氣條件下滿足除霜規(guī)定，同時(shí)降低高壓交流系統(tǒng)的噪音。沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)(ICE)的噪音，以前由發(fā)動(dòng)機(jī)壓制的噪聲源變得可以聽(tīng)到;事實(shí)上，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)第一次啟動(dòng)時(shí)，高壓交流電甚至可能是唯一的噪聲源。此外，由于沒(méi)有ICE輻射熱，電池必須提供足夠的電力來(lái)解凍車(chē)輛，以確保能見(jiàn)度和安全的駕駛條件，并保持乘員的熱舒適性。這在極端天氣條件下變得非常困難，因?yàn)楦邏航涣麟姷念~外能量消耗會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程大幅下降。

為了克服這些挑戰(zhàn)，人們進(jìn)行了許多研究來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)高效的暖通空調(diào)系統(tǒng)。暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要復(fù)雜問(wèn)題是儀表板后面可用空間的減少。因此，暖通空調(diào)管道往往遵循越來(lái)越多的蛇形路徑，這增加了噪音的產(chǎn)生和能源消耗。暖通空調(diào)機(jī)組的收縮會(huì)導(dǎo)致流速和湍流的增加，從而導(dǎo)致更高的流動(dòng)噪聲。雖然可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估暖通空調(diào)的聲學(xué)性能，但每次都需要?jiǎng)?chuàng)建物理原型以進(jìn)行微小的更改以評(píng)估噪聲水平，這既昂貴又耗時(shí)。此外，盡管實(shí)驗(yàn)可以提供定量的噪聲水平信息，但它通常不能提供有關(guān)噪聲產(chǎn)生機(jī)制的任何見(jiàn)解，而這些信息對(duì)于改善系統(tǒng)的噪聲性能至關(guān)重要。最后，暖通空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲高度依賴(lài)于其在車(chē)輛中的集成，特別是對(duì)于除霜操作模式，其中擋風(fēng)玻璃，儀表板和a柱的位置和尺寸對(duì)噪聲有影響。在開(kāi)發(fā)HVAC系統(tǒng)時(shí)，沒(méi)有完整的車(chē)輛原型。當(dāng)測(cè)試單個(gè)子系統(tǒng)時(shí)，HVAC系統(tǒng)可能會(huì)達(dá)到具有挑戰(zhàn)性的聲學(xué)目標(biāo)，但當(dāng)這些子系統(tǒng)連接在一起并集成到車(chē)輛中后，噪聲可能會(huì)增加許多倍。

模擬仿真是一種有效的替代方法，可以對(duì)HVAC系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)建模，預(yù)測(cè)噪聲源，在設(shè)計(jì)早期階段提供改變?cè)O(shè)計(jì)和降低噪聲的見(jiàn)解和方法。盡管許多商業(yè)工具可用于模擬流動(dòng)聲學(xué)，但它們通常不能同時(shí)捕獲湍流和聲波產(chǎn)生的壓力波動(dòng)。傳統(tǒng)的CFD求解方法難以模擬不同的時(shí)間尺度和幾何尺度。解決HVAC系統(tǒng)的詳細(xì)幾何形狀需要捕獲小至幾毫米的細(xì)節(jié)周?chē)牧鲃?dòng)，同時(shí)捕獲更大的聲波。同樣，求解器必須處理體積流量和以聲速產(chǎn)生的噪聲之間的時(shí)間尺度差異。為了解決上述問(wèn)題，傳統(tǒng)的CFD分析使用高度精細(xì)的網(wǎng)格，更高的數(shù)值階格式，因此通常計(jì)算成本很高，或者依賴(lài)于噪聲建模方法。因此，大多數(shù)傳統(tǒng)的CFD研究都局限于簡(jiǎn)化的幾何形狀。

在本研究中，使用固有瞬態(tài)和高精度的基于晶格玻爾茲曼(LBM)的PowerFLOW?求解器來(lái)預(yù)測(cè)暖通空調(diào)系統(tǒng)中產(chǎn)生的流致噪聲。LBM求解器跟蹤流體粒子的平流和碰撞。在這里，粒子被分類(lèi)為整數(shù)個(gè)離散方向，索引為i。計(jì)算遵循粒子分布函數(shù)fi，它表示在特定的時(shí)間和位置，以速度ci移動(dòng)，每單位體積(也稱(chēng)為體素)的粒子數(shù)量。PowerFLOW中的離散器在不影響幾何保真度的情況下處理流體/表面交叉點(diǎn)，Boltzmann方程在D3Q19布局上離散，D3Q19布局是一個(gè)具有19個(gè)不同流體包速度(Q19)的規(guī)則三維晶格(D3)。流求解器模型如圖1所示。

圖1 D3Q19流求解器模型

LBM已經(jīng)在廣泛的空氣聲學(xué)應(yīng)用中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證，從暖通空調(diào)噪聲，到溫室風(fēng)噪聲，機(jī)身噪聲，或天窗抖振噪聲等等。以前的研究要么使用暖通空調(diào)單元的獨(dú)立子系統(tǒng)，如鼓風(fēng)機(jī)或單個(gè)管道，要么將整個(gè)暖通空調(diào)單元安裝在車(chē)輛中。這些研究大多集中在聲學(xué)舒適方面，很少關(guān)注聲學(xué)設(shè)計(jì)變化對(duì)熱舒適的影響。然而，對(duì)于今天的車(chē)輛，特別是在不斷擴(kuò)大的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品的背景下，仔細(xì)管理噪音和熱管理之間的權(quán)衡是很重要的。這對(duì)解凍尤為重要;當(dāng)汽車(chē)啟動(dòng)后擋風(fēng)玻璃立即凍結(jié)時(shí)，首要任務(wù)和法律要求是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)清潔擋風(fēng)玻璃和駕駛員可見(jiàn)區(qū)域。在這樣的限制下，為了確保最終的車(chē)輛設(shè)計(jì)仍然適合道路行駛，原始設(shè)備制造商通常會(huì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先確保符合法律規(guī)定，通常會(huì)以犧牲噪音為代價(jià)。當(dāng)這些管道產(chǎn)生不舒服的噪音量，只是為了保持擋風(fēng)玻璃無(wú)霧。因此，本文的目標(biāo)是展示在早期設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的有效過(guò)程:

?保持消費(fèi)者期望的除霜體驗(yàn)

?這樣做可以大大降低高壓空調(diào)的噪音水平。

在本研究中，我們將提出一種基于CAD的參數(shù)化方法來(lái)優(yōu)化在除霜模式下運(yùn)行的高壓交流機(jī)組的聲學(xué)和除霜性能。后處理使用PowerACOUSTICS?中包含的流致噪聲檢測(cè)(FIND?)模塊進(jìn)行。FIND有助于從LBM求解器的結(jié)果中檢測(cè)流致源。這種噪聲檢測(cè)工具已廣泛用于各種噪聲應(yīng)用，我們邀請(qǐng)讀者回顧過(guò)去的出版物，以深入解釋FIND和FIND貢獻(xiàn)的功能。這些以空氣聲學(xué)模擬為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)能力與融霜模擬方法相結(jié)合，能夠精確地復(fù)制美國(guó)和歐洲的融霜認(rèn)證測(cè)試。這種熱方法得益于一種新的熱耦合算法，大大降低了計(jì)算成本，甚至在早期概念設(shè)計(jì)階段就證明了使用這種模擬是合理的。

幾何模型的建立

本研究考慮了BMW 7系高壓交流單元在除霜模式下的幾何形狀。整個(gè)高壓交流機(jī)組與旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)，襟翼和寄存器建模。由于本研究的目的是優(yōu)化除霜器的熱學(xué)和聲學(xué)性能，因此只模擬了除霜模式。模擬的幾何結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)橫向除霜寄存器、中心除霜寄存器和兩個(gè)間接除霜寄存器。在所有入口開(kāi)口處都提供采樣面，用于記錄質(zhì)量流量和壓降等平均數(shù)據(jù);氣流和噪音通過(guò)不同的寄存器出口進(jìn)入機(jī)艙。為了簡(jiǎn)化，諸如機(jī)艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙或引擎蓋下組件等部分被刪除，并且僅考慮詳細(xì)的高壓交流單元進(jìn)行聲學(xué)模擬。這不是由于方法的限制，而是為了簡(jiǎn)化結(jié)果的可視化。

通過(guò)大模擬域的高黏度區(qū)域確保幾何結(jié)構(gòu)的消聲和反射阻尼，并在模擬體積壁上應(yīng)用大氣靜壓出口邊界條件。聲學(xué)模擬是在絕熱狀態(tài)下進(jìn)行的，壁面之間沒(méi)有熱傳遞。一個(gè)旋轉(zhuǎn)的鼓風(fēng)機(jī)包裹在一個(gè)滑動(dòng)的網(wǎng)格區(qū)域驅(qū)動(dòng)流動(dòng)。選擇的計(jì)算域被細(xì)分為多個(gè)體素區(qū)域(VRs)。為不同的區(qū)域選擇合適的體素大小，以確保準(zhǔn)確捕獲與聲學(xué)研究相關(guān)的所有流結(jié)構(gòu)。在探頭和寄存器之間的區(qū)域提供足夠精細(xì)的分辨率，以最小的耗散捕獲聲傳播。圖2為仿真中使用的BMW 7系暖通空調(diào)詳細(xì)模型。

圖2 BMW 7系除霜幾何模型

在前人對(duì)同一車(chē)型的研究中，對(duì)高壓交流系統(tǒng)的前模進(jìn)行了基于響應(yīng)面的優(yōu)化。利用FIND貢獻(xiàn)結(jié)果，評(píng)估了前模式噪聲源的總體貢獻(xiàn)以及主要噪聲源。優(yōu)勢(shì)噪聲區(qū)域如圖3所示。對(duì)主要噪聲源區(qū)域，如中央管道和寄存器，采用網(wǎng)格變形對(duì)其進(jìn)行修改和改進(jìn)。

圖3 三分之一倍頻帶結(jié)果:位于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)耳的探頭的聲壓級(jí)(SPL)(黑色)和FIND貢獻(xiàn)的總體噪聲貢獻(xiàn)(紅色)。

在3個(gè)循環(huán)中進(jìn)行了響應(yīng)面優(yōu)化。設(shè)計(jì)空間受到限制，以實(shí)現(xiàn)易于融合。得到的優(yōu)化形狀顯示，在2400至6000 Hz的高頻范圍內(nèi)噪聲降低5dB，在更大的寬帶水平上噪聲降低2.2 dB。質(zhì)量流量變化僅為~3%，質(zhì)量流量分裂保持不變以保持相似的熱性能。圖4顯示了原始和優(yōu)化后的中心風(fēng)道區(qū)域在降低噪聲的情況下的對(duì)比。

圖4 基線(上)和優(yōu)化(下)中心風(fēng)管區(qū)域。半透明的平面顯示了渦度，而紫色的等面顯示了對(duì)耳朵有高貢獻(xiàn)的寬帶噪聲源。

在上述研究中，質(zhì)量流量守恒準(zhǔn)則不能充分準(zhǔn)確地反映高壓交流機(jī)組的熱性能。研究中的另一個(gè)限制因素是優(yōu)化的設(shè)計(jì)空間受限于通過(guò)網(wǎng)格變形可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。事實(shí)上，上面所示的最優(yōu)是通過(guò)將一些變形設(shè)置為最大變形而獲得的;預(yù)計(jì)進(jìn)一步增加變體可以提供更大的噪音減少。除了可能獲得的進(jìn)一步潛在改進(jìn)之外，由于所選擇的形態(tài)參數(shù)，最終優(yōu)化的幾何形狀是畸形的，不適合用于批量生產(chǎn)，并且在集成到車(chē)輛設(shè)計(jì)之前需要完全重建并重新解釋到CAD中。根據(jù)上述結(jié)果，使用基于CAD的參數(shù)化進(jìn)行了另一項(xiàng)優(yōu)化研究，其中可以使用概念結(jié)構(gòu)工程?工具快速修改CAD的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這允許更廣泛的設(shè)計(jì)空間和更大的改進(jìn)潛力。在本文中，我們將繼續(xù)進(jìn)行基于CAD的參數(shù)化優(yōu)化，但將重點(diǎn)放在除霜模式上，以同時(shí)優(yōu)化熱學(xué)和聲學(xué)性能。

除霜模式通常是噪音最大的，因此我們根據(jù)寶馬7系的幾何形狀選擇了這一模式。在滿足嚴(yán)格的除霜法規(guī)要求的同時(shí)，降低除霜通風(fēng)口的噪聲是非常重要的。在常規(guī)仿真主導(dǎo)的車(chē)輛設(shè)計(jì)中，業(yè)界觀察到的CFD過(guò)程是對(duì)一組間接的代表車(chē)輛除霜性能的關(guān)鍵性能指標(biāo)(kpi)進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)決策。示例kpi是擋風(fēng)玻璃上獲得的表面摩擦和出口速度，如圖5所示。不幸的是，這些指標(biāo)并沒(méi)有提供與認(rèn)證要求的直接關(guān)聯(lián)，并且它們本身不足以確定車(chē)輛是否將獲得認(rèn)證，以及是否滿足消費(fèi)者的期望。由于可用kpi和認(rèn)證性能之間的信息差距必須通過(guò)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決，因此很自然地會(huì)采取謹(jǐn)慎態(tài)度，過(guò)度設(shè)計(jì)熱除霜性能，通常會(huì)以噪音為代價(jià)。

圖5 寶馬7系前擋風(fēng)玻璃上的表面摩擦系數(shù)(左)和出口速度(右)

這個(gè)熱聲優(yōu)化過(guò)程的主要目標(biāo)是確定一個(gè)設(shè)計(jì)，通過(guò)除霜方法與降低噪音。本文所研究的幾何形狀旨在確定成功的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，而不一定具有批量生產(chǎn)零件的細(xì)化。利用我們的數(shù)字預(yù)認(rèn)證模擬除霜性能的結(jié)果，我們還將驗(yàn)證表面摩擦和出口速度作為除霜kpi的有效性。

在本研究中，九種不同的輸入幾何參數(shù)，即半徑，不同方向的管道長(zhǎng)度xa,xb, ya, yb, za, zb，重疊和角度alpha, beta，與駕駛員和乘客耳的總聲壓級(jí)(OSPL)相關(guān)。為了與現(xiàn)有過(guò)程的連續(xù)性，湍流動(dòng)能(TKE)、平均速度和擋風(fēng)玻璃上的表面摩擦也被記錄下來(lái)。圖6顯示了參數(shù)化中使用的不同輸入?yún)?shù)。

圖6 聲學(xué)幾何參數(shù)的CAD參數(shù)化

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在9個(gè)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)中，只有xb(通風(fēng)口高度)、yb(通風(fēng)口深度)和za(天鵝頸高度)3個(gè)參數(shù)與OSPL表面摩擦具有較強(qiáng)的相關(guān)性。這三個(gè)參數(shù)如圖7中的兩幅圖所示，我們選擇它們作為進(jìn)一步研究的對(duì)象。

圖7 選定參數(shù)的聲學(xué)和熱性能矩陣

圖8顯示了聲學(xué)度量(OSPL)和間接除霜性能度量(表面摩擦)之間的相關(guān)性。觀察到一個(gè)正梯度，較高的表面摩擦與較高的噪聲系統(tǒng)相關(guān)。因此，間接除霜性能指標(biāo)與系統(tǒng)的聲學(xué)性能相競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)使用這些性能標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，設(shè)計(jì)師顯然陷入了僵局，無(wú)法提供減少噪音的設(shè)計(jì)。本文的下一部分將指出，這個(gè)看似無(wú)法克服的問(wèn)題是融霜性能kpi選擇不當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。

圖8 a視場(chǎng)(左)和B視場(chǎng)(右)的表面摩擦系數(shù)與聲壓級(jí)之間的相關(guān)性

為了詳細(xì)分析結(jié)果，并演示如何最好地規(guī)避所概述的競(jìng)爭(zhēng)目標(biāo)問(wèn)題，選擇了兩個(gè)氣動(dòng)聲學(xué)最佳方案。基線和兩個(gè)變體的管道和通風(fēng)口如圖9所示。

圖9 基線和變型幾何設(shè)計(jì)

除霜通風(fēng)口出口處每次運(yùn)行的質(zhì)量流量見(jiàn)表1和表2。中左、間接左、右除霜器出口的平均速度和最大速度如表2所示。

表一 不同寄存器的質(zhì)量流率

表二 不同寄存器的最大流量

基線在其射流處具有較高的速度，其次是最佳速度1。由于寄存器的橫截面積較大，從最佳2開(kāi)始的流速最小。從圖10可以看出，在基線工況下，流速較大，聲壓級(jí)值最高;這是可以預(yù)料到的，并且與射流噪聲理論相一致。優(yōu)化1的速度降低，在高頻區(qū)域顯示出6dB的聲壓級(jí)降低和高達(dá)10dB的聲壓級(jí)降低。最優(yōu)方案2的出口流速最小，表明OSPL降低了13dB，在高頻區(qū)域最高可降低20dB。

圖10 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)耳聲壓級(jí)比較

結(jié)果與FIND的貢獻(xiàn)進(jìn)行了比較，得出了相似的趨勢(shì)。為每個(gè)感興趣的區(qū)域創(chuàng)建了集成盒，例如管道，射流路徑，寄存器和混合單元。FIND貢獻(xiàn)結(jié)果表明，噪聲最大的區(qū)域是射流路徑區(qū)域。基線模型的噪聲最大，其次是最優(yōu)1和最優(yōu)2。在射流流道和寄存器中，F(xiàn)IND貢獻(xiàn)也表明在1000頻率范圍內(nèi)，最佳1減少6dB，最佳2減少13dB。圖11、12和13顯示了FIND對(duì)這3種設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)結(jié)果。

圖11 噪音來(lái)源對(duì)基線設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)

圖12 噪聲源對(duì)最佳設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)

圖13 從最佳設(shè)計(jì)2中找出噪聲源的貢獻(xiàn)

這三種設(shè)計(jì)的擋風(fēng)玻璃表面摩擦值如圖14所示。在基線上靠近排氣口的前擋風(fēng)玻璃上可以看到最高的表面摩擦系數(shù)，其次分別是最佳1和2。射流速度越高，表面摩擦系數(shù)越高，噪聲也越大。較高的流量最初來(lái)自通風(fēng)口，最終沿著擋風(fēng)玻璃擴(kuò)散。從圖14中可以看出，在a - field中，最優(yōu)值為1時(shí)，表面摩擦力略有下降;雖然表面摩擦在b區(qū)略有增加，但與基線相比，整個(gè)擋風(fēng)玻璃的平均值下降了23%。對(duì)于最佳2，擋風(fēng)玻璃上的表面摩擦平均值也減少了67%，正如在A場(chǎng)和b場(chǎng)中所看到的那樣。

圖14 前擋風(fēng)玻璃上的表面摩擦系數(shù)為基線和兩個(gè)最優(yōu)值

從以上聲學(xué)結(jié)果中，我們可以清楚地看到蒙皮摩擦與噪聲產(chǎn)生之間的相關(guān)性。在下一節(jié)中，我們將展示兩種低表面摩擦的設(shè)計(jì)都可以有效地除霜擋風(fēng)玻璃并通過(guò)認(rèn)證要求。此外，我們將證明皮膚摩擦KPI不適合評(píng)估真正的除霜性能。

擋風(fēng)玻璃熱除霜

如前所述，嚴(yán)格的立法實(shí)際上強(qiáng)制執(zhí)行道路認(rèn)證車(chē)輛除霜性能的最低要求。SAE J902規(guī)定，車(chē)輛啟動(dòng)后30分鐘內(nèi)，駕駛員一側(cè)的冰或霜應(yīng)完全清除。同樣，F(xiàn)MVSS 103法規(guī)規(guī)定，駕駛員側(cè)的霜凍必須在20分鐘內(nèi)清除80%，乘客側(cè)擋風(fēng)玻璃上的霜凍必須在25分鐘內(nèi)清除85%。因此，清除霜或冰所花費(fèi)的時(shí)間必須是關(guān)鍵的KPI，并取代擋風(fēng)玻璃上的表面摩擦度量。數(shù)字測(cè)試可以在設(shè)計(jì)早期階段進(jìn)行，以預(yù)測(cè)擋風(fēng)玻璃上的除霜模式，以及清除霜凍所需的時(shí)間。在本研究中，模擬設(shè)置被定義為遵循歐洲認(rèn)證測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在測(cè)試開(kāi)始之前，車(chē)輛在保持在-18°C的冷室中浸泡過(guò)夜。這樣做是為了實(shí)現(xiàn)均勻的流體和表面溫度為-18°C。在車(chē)輛浸泡和測(cè)試過(guò)程中，所有門(mén)窗都是關(guān)閉的。浸泡期結(jié)束后，用均勻噴涂裝置在玻璃表面每平方厘米噴灑一定量的水，在擋風(fēng)玻璃上形成一層冰。涂層均勻涂抹，車(chē)輛再浸泡30分鐘。外部風(fēng)速被認(rèn)為可以忽略不計(jì)，在模擬中沒(méi)有考慮。30分鐘后，發(fā)動(dòng)機(jī)和高壓交流加熱在除霜模式下啟動(dòng)。在整個(gè)測(cè)試期間，鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定。傳感器放置在除霜排氣口位置，靠近前擋風(fēng)玻璃和前呼吸水平位置。圖15顯示了靠近前擋風(fēng)玻璃的探頭位置。

圖15 艙內(nèi)傳感器

在測(cè)試開(kāi)始時(shí)，擋風(fēng)玻璃上形成的冰層被記錄下來(lái)。在測(cè)試過(guò)程中，每5分鐘拍攝一次除霜圖案的照片和輪廓，直到測(cè)試結(jié)束。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了40分鐘，或者直到整個(gè)前擋風(fēng)玻璃和側(cè)玻璃解凍(以先到者為準(zhǔn))。

模擬仿真

除霜模擬在兩個(gè)階段進(jìn)行，每個(gè)階段使用全三維瞬態(tài)玻爾茲曼解算器。在第一階段，進(jìn)行了等溫模擬，模擬了擋風(fēng)玻璃周?chē)牧鲃?dòng)分布。在第二階段捕獲擋風(fēng)玻璃上的除霜。第二階段使用耦合熱過(guò)程，其中基于玻爾茲曼的流動(dòng)求解器與基于有限元的熱求解器耦合。

在流動(dòng)求解器中，溫度方程采用Lax-Wendroff二階有限差分格式求解，并與質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量方程完全耦合，考慮了浮力效應(yīng)。通過(guò)艙內(nèi)和擋風(fēng)玻璃周?chē)膫鲗?dǎo)和輻射進(jìn)行的熱量傳遞可通過(guò)PowerTHERM?熱求解器解決。這是一個(gè)完全耦合的過(guò)程，耦合包括從流動(dòng)求解器到熱求解器的傳熱系數(shù)[HTC]交換，以及從熱求解器到流動(dòng)求解器的表面溫度交換。有關(guān)耦合過(guò)程的更多細(xì)節(jié)見(jiàn)。圖16顯示了PowerFLOW-PowerTHERM耦合過(guò)程。

圖16 PowerFLOW-PowerTHERM耦合過(guò)程

仿真幾何模型

模擬中使用的幾何形狀與測(cè)試中的幾何形狀相同。除霜中央，側(cè)面和間接管道，以及幾何形狀，是非常詳細(xì)的。模擬包括所有細(xì)節(jié)的內(nèi)部艙壁，管道，座椅，支柱，和儀表板。所有外部艙室部件，如引擎蓋，動(dòng)力總成，排氣發(fā)動(dòng)機(jī)，或車(chē)底被排除在模擬之外。由于風(fēng)機(jī)對(duì)高壓空調(diào)除霜性能的影響較小，故不包括在本次模擬中。在PowerFLOW模擬中設(shè)置探針，就像在測(cè)試中一樣。仿真幾何形狀和探頭位置如圖17所示。

圖17 PowerCASE?機(jī)艙內(nèi)部的探頭

對(duì)于模擬的第二階段，除了流體模型之外，還創(chuàng)建了熱模型。為了準(zhǔn)確地模擬傳導(dǎo)，在PowerTHERM中，車(chē)頂、車(chē)門(mén)、儀表板、地板和座椅等非透明部件被建模為多層部件，并添加了氣隙和絕緣層，以復(fù)制真實(shí)的設(shè)置。側(cè)面和后面的玻璃設(shè)置為透明材料。對(duì)于測(cè)量除霜的前擋風(fēng)玻璃，采用多層邊界條件。艙室內(nèi)表面設(shè)置為玻璃材料性能，厚度與試驗(yàn)中相同。外層設(shè)置為0.44 mm厚度的冰，并在PowerTHERM中應(yīng)用相變特性。多層屬性的圖形表示如圖18所示。

圖18 PowerTHERM中的多層部件

擋風(fēng)玻璃上的氣流分布

利用獨(dú)立的PowerFLOW求解器進(jìn)行了三維等溫瞬態(tài)流動(dòng)模擬。對(duì)整個(gè)機(jī)艙和排除鼓風(fēng)機(jī)的高壓交流系統(tǒng)進(jìn)行了流量模擬。恒質(zhì)量流量為6.55 kg/分鐘，應(yīng)用于高壓交流進(jìn)口。在流動(dòng)模擬中準(zhǔn)確捕獲了寄存器，擋風(fēng)玻璃和管道區(qū)域周?chē)?xì)的流動(dòng)細(xì)節(jié)。采樣表面被放置在不同的管道位置來(lái)測(cè)量流量。流動(dòng)模擬一直進(jìn)行到氣流在擋風(fēng)玻璃上穩(wěn)定下來(lái)為止。前擋風(fēng)玻璃中的氣流如圖19所示。

圖19 前擋風(fēng)玻璃氣流分布

除霜模擬

在第二階段，采用速度凍結(jié)法，用粗化網(wǎng)格求解熱除霜模擬。這種方法允許在不犧牲從第一階段流動(dòng)模擬中捕獲的流動(dòng)分布的準(zhǔn)確性的情況下對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行粗化。與在流動(dòng)結(jié)構(gòu)中觀察到的時(shí)間尺度不同，艙內(nèi)溫度變化緩慢，因此除霜模擬必須捕捉長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的溫度波動(dòng)。在這些條件下，結(jié)合速度凍結(jié)方法的粗網(wǎng)格減少了模擬時(shí)間，并允許具有成本效益的模擬多個(gè)小時(shí)的物理時(shí)間。這種方法已經(jīng)在加熱、冷卻或解凍條件下進(jìn)行了許多驗(yàn)證。

模擬進(jìn)行30分鐘，直到前擋風(fēng)玻璃完全解凍。這是一種耦合模擬，其中流動(dòng)和熱求解器之間的耦合每隔幾秒發(fā)生一次，從而在模型之間交換HTC和表面溫度。加熱器的溫度曲線，從實(shí)驗(yàn)中得到的或從一維模型中得到的，在進(jìn)口處使用。在除霜模擬中，僅考慮除霜管道下游部分，以節(jié)省模擬成本和保持模擬精度。

模擬得到的探頭溫度和除霜模式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。圖20和21顯示了靠近前擋風(fēng)玻璃和客艙頂部的探頭溫度分布。

圖20 前擋風(fēng)玻璃探頭

圖21 艙內(nèi)頂部探頭

不同時(shí)間擋風(fēng)玻璃上的除霜模式如下圖22所示。10分鐘后的除霜模式與測(cè)試結(jié)果非常吻合。在模擬中，在中間較低的擋風(fēng)玻璃區(qū)域仍然可以看到一層冰。這可能是由于該地區(qū)間接噴口的分辨率降低所致。間接通風(fēng)口上的通風(fēng)口開(kāi)度非常小，導(dǎo)致在模擬的最初幾分鐘內(nèi)空氣流量較低，冰的解凍。15、20和25分鐘的除霜模式與測(cè)試非常吻合。

圖22 試驗(yàn)與模擬的瞬態(tài)除霜模式比較。模擬結(jié)果中的黑色區(qū)域表示有冰的區(qū)域。測(cè)試結(jié)果中的淺藍(lán)色邊框表示無(wú)冰區(qū)域。

上述結(jié)果表明，所得到的室內(nèi)溫度和室外除霜模式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。因此，考慮將冰厚作為除霜性能的替代KPI，取代擋風(fēng)玻璃上的表面摩擦，是可以想象的，因?yàn)樗臏?zhǔn)確性，并且直接代表了一致性性能。

下一步，對(duì)基線和兩種變量的熱除霜性能進(jìn)行了模擬。從模擬結(jié)果可以看出，三種設(shè)計(jì)都通過(guò)了除霜立法，即80%的A區(qū)在20分鐘內(nèi)被清除。圖23顯示了不同變體的解凍模式。

圖23 不同種類(lèi)解凍模式

最佳除霜時(shí)間幾乎與基線相同，并且基于除霜模式，預(yù)計(jì)將為消費(fèi)者提供幾乎相同的車(chē)輛體驗(yàn)。然而，當(dāng)涉及到噪聲時(shí)，根據(jù)我們之前提出的OSPL指標(biāo)評(píng)估，最佳1比基線安靜6dB。與其他兩種情況相比，優(yōu)化2的除霜速度較慢，但它仍然驗(yàn)證了除霜立法，并且比基線安靜13dB。最后，將上述結(jié)果得出的表面摩擦KPI與實(shí)際除霜性能進(jìn)行比較。表3顯示了與基線相比，設(shè)計(jì)變化對(duì)皮膚摩擦和除霜時(shí)間的影響。

表3 不同型號(hào)的皮膚摩擦系數(shù)和除霜時(shí)間的比較

最佳1顯示皮膚摩擦減少23%，而解凍時(shí)間僅增加1%。對(duì)于最佳2，表面摩擦減少了63%，從而減少了噪音，擋風(fēng)玻璃上的除霜時(shí)間增加了14%。從以上結(jié)果可以看出，表面摩擦系數(shù)與除霜時(shí)間并不是線性相關(guān)的。雖然表面摩擦顯示了正確的趨勢(shì)，但如果不增加設(shè)計(jì)安全裕度來(lái)解釋未知的影響，就不可能使用這個(gè)度量;換句話說(shuō):聲學(xué)性能被犧牲了。對(duì)于今天的汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)，消費(fèi)者期望產(chǎn)品在性能和舒適性方面表現(xiàn)出色，使用除霜時(shí)間作為除霜性能的指標(biāo)更為合適。事實(shí)上，這個(gè)指標(biāo)直接代表了融霜系統(tǒng)的一致性和實(shí)際使用性能，不需要解釋或設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。雖然該指標(biāo)需要進(jìn)行第二次模擬，但聲學(xué)研究中的大部分模型和模擬設(shè)置可以重復(fù)使用。此外，下一節(jié)將介紹一種新的方法，可用于確保模擬除霜性能的周轉(zhuǎn)時(shí)間保持可管理。

自適應(yīng)耦合除霜仿真

除霜模擬是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的瞬態(tài)模擬，求解風(fēng)擋玻璃上的除霜模式所花費(fèi)的模擬時(shí)間比求解座艙內(nèi)的瞬態(tài)流動(dòng)特性所花費(fèi)的模擬時(shí)間要長(zhǎng)。在保持準(zhǔn)確性的同時(shí)，減少了融霜模擬時(shí)間。自適應(yīng)耦合使用戶可以在模擬過(guò)程中根據(jù)過(guò)去獲得的熱結(jié)果改變耦合周期。采用自適應(yīng)耦合方法，仿真器監(jiān)測(cè)所有耦合PowerTHERM部件的溫度梯度，并動(dòng)態(tài)調(diào)整PowerFLOW-PowerTHERM耦合比，根據(jù)溫度的變化率增加或減少耦合比。該功能減少了熱除霜模擬的周轉(zhuǎn)時(shí)間。在相同精度下，自適應(yīng)耦合方法中的保守模型的仿真時(shí)間縮短了60%。圖24顯示了不同時(shí)間段的基線和自適應(yīng)耦合模擬之間的除霜模式?；€和自適應(yīng)耦合模擬之間節(jié)省的時(shí)間如圖25所示。

圖24 基線與自適應(yīng)耦合運(yùn)行的瞬態(tài)除霜模式比較

圖25 在基線和自適應(yīng)耦合運(yùn)行之間節(jié)省時(shí)間

結(jié)論

在本研究中，提出了一種基于CAD的參數(shù)化方法來(lái)優(yōu)化暖通空調(diào)的聲學(xué)和熱除霜性能。這里使用的聲學(xué)方法之前在多個(gè)不同的幾何形狀上進(jìn)行了驗(yàn)證。本文還對(duì)熱除霜方法進(jìn)行了新的驗(yàn)證，并將模擬結(jié)果與BMW進(jìn)行的歐洲除霜一致性測(cè)試進(jìn)行了比較。模擬的前擋風(fēng)玻璃除霜模式和時(shí)間與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。從這些經(jīng)過(guò)熱聲驗(yàn)證的方法中，獲得了驗(yàn)證歐洲除霜法規(guī)的兩種變體，分別將噪聲水平降低了6dB和13dB。

結(jié)果表明，如果使用間接kpi(如表面摩擦系數(shù))，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)這些性能改進(jìn)。雖然這些間接kpi遵循實(shí)際除霜性能的趨勢(shì)，但它們需要解釋和經(jīng)驗(yàn)外推，并最終增加開(kāi)發(fā)過(guò)度噪聲的高壓交流系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議根據(jù)擋風(fēng)玻璃上的霜或冰的存在來(lái)驗(yàn)證除霜性能，因?yàn)樗菀捉忉專(zhuān)咏F(xiàn)實(shí)，并且即使在早期設(shè)計(jì)階段也可以立即評(píng)估高壓空調(diào)的除霜性能。最后，用于熱除霜模擬的自適應(yīng)耦合方法被證明可以節(jié)省超過(guò)60%的模擬時(shí)間，同時(shí)提供相同的精度。

未來(lái)工作

本研究中所做的幾何變化被定義為確定可用于未來(lái)HVAC系列車(chē)輛的有趣設(shè)計(jì)趨勢(shì)。此外，優(yōu)化的主要部分僅對(duì)聲學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，而除霜指標(biāo)僅對(duì)最有希望的優(yōu)化進(jìn)行了驗(yàn)證。在未來(lái)的工作中，我們希望對(duì)現(xiàn)實(shí)和生產(chǎn)就緒的幾何形狀進(jìn)行完整的CAD參數(shù)化熱聲優(yōu)化，包括暖通空調(diào)的能耗和對(duì)范圍的影響，作為額外的優(yōu)化目標(biāo)。

參考文章來(lái)源：Nagarajan, V., Biermann, J., Goldberg, J., Motiwala, H. et al., "Simulation Driven Design of HVAC Systems under Competing HVAC Noise and Defrost Performance Requirements," SAE Technical Paper 2021-01-1020, 2021, https://doi.org/10.4271/2021-01-1020.