基于CFD分析前屏幕除霜檐口優(yōu)化設(shè)計(jì)*

潘麗杰， 武鑫， 田佳平

(華晨汽車集團(tuán)控股有限公司， 遼寧 沈陽110141)

摘要：汽車前屏幕除霜檐口是空調(diào)除霜除霧系統(tǒng)的重要組成部分，影響汽車的乘坐舒適性和安全性，日益受到人們的關(guān)注。首先對前屏幕除霜檐口內(nèi)部的速度場和壓力場進(jìn)行了CFD模擬分析和優(yōu)化，調(diào)節(jié)了風(fēng)道和隔柵，使之達(dá)到了設(shè)定要求，并通過環(huán)模試驗(yàn)對擋風(fēng)玻璃的除霜性能設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。建立了三維擋風(fēng)玻璃模型，模擬真實(shí)模型并得出擋風(fēng)玻璃融霜液態(tài)分布圖。根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了新的前屏幕除霜檐口，并在相同條件下進(jìn)行流場實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：前屏幕除霜檐口；CFD；除霜性能

中圖分類號:U461.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-12-22

作者簡介：潘麗杰(1963-)，女，遼寧沈陽人，工程師，主要從事汽車與質(zhì)量管理及整車布置和零部件開發(fā)等方面的研究工作。

基金項(xiàng)目：本刊于2014年第6期刊登的徐杰、雷剛作者的論文《轎車白車身疲勞壽命分析》一文中，遺漏了重慶工商職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目(編號：YB2013-01)。特此刊正！

Optimization Design of Front Screen Defrost Cornice Based on CFD Analysis

PAN Li-jie, WUXin, TIAN Jia-ping

(BrillianceAuto,ShenyangLiaoning110141,China)

Abstract:The automobile front screen defrost cornice is an important part of the air-conditioning defrost defog system and affects the comfort and safety, which is attracting the attention of people. Firstly, the CFD analysis simulation and optimization of velocity and pressure field were done on the inside of the front screen defrost cornice to adjust the air duct and grille to make it achieve the set requirements, and the windshield defroster performance was validated through the ring mold test. Three-dimensional windshield model was set up to simulate realistic model to come to the windshield melting frost liquid distribution map. According to the results of the analysis, a new front screen defrost cornices was designed. The final flow field experiments and physical experiments were carried out, and the experiment results met the design requirements.

Key words: front screen defrost cornice; CFD; defrosting

0引言

汽車空調(diào)系統(tǒng)為汽車提供制冷、采暖、除霜、除霧、空氣過濾和濕度控制，不僅影響汽車舒適性，更影響汽車安全性，日益成為汽車市場競爭的主要手段之一。其中除霜除霧性能是汽車性能的重要指標(biāo)，更是國家強(qiáng)制檢測的項(xiàng)目，國標(biāo)GB 11555-2009[1]對此做出了規(guī)定。

前屏幕除霜檐口卡接在儀表板上，將空調(diào)系統(tǒng)的一部分風(fēng)量導(dǎo)向前風(fēng)擋玻璃，是汽車空調(diào)系統(tǒng)的終端部分，直接影響汽車空調(diào)系統(tǒng)的除霜除霧性能。目前汽車行業(yè)空調(diào)系統(tǒng)整體性能欠佳，COP率不高，問題的原因并不一定是空調(diào)系統(tǒng)本身的制冷量不夠，而更有可能是由于前屏幕除霜檐口的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致空調(diào)整體性能下降，進(jìn)而影響汽車前風(fēng)擋玻璃除霜及除霧性能?？梢?，前屏幕除霜檐口的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向?qū)η帮L(fēng)擋玻璃除霜及除霧性能起到很大影響。

利用試驗(yàn)的方法確定風(fēng)道系統(tǒng)送風(fēng)口的尺寸、位置和流線往往耗費(fèi)很大，且難于精確找到影響風(fēng)量分配和渦流存在的主要因素?；诖耍?jì)算流體力學(xué)(CFD)在汽車工程中開始快速應(yīng)用，使得研究者可以利用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，代替真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，大大縮短了研制周期，減少了反復(fù)試驗(yàn)造成的成本和資源浪費(fèi)。近些年國內(nèi)外采用模擬軟件對流場進(jìn)行了深入的研究[2-5]。朱娟娟等人[6]在原除霜風(fēng)道的基礎(chǔ)上對兩種修改方案進(jìn)行比較。①采用拱形邊并增加導(dǎo)流板，考查不同風(fēng)道的速度場和各出風(fēng)口速度分配；②采用反拱形邊并增加導(dǎo)流板，同樣考查不同風(fēng)道的速度場和各出風(fēng)口速度分配。通過對比得出反拱形風(fēng)道風(fēng)量分配更加均勻，且導(dǎo)流板的形狀對均勻送風(fēng)也有一定程度的影響。

筆者以某款轎車的前屏幕除霜檐口系統(tǒng)分析為切入點(diǎn)，對前屏幕除霜檐口內(nèi)部的速度場和壓力場進(jìn)行了CFD(使用FLUENT 軟件)分析模擬優(yōu)化，調(diào)節(jié)了風(fēng)道和隔柵，實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步達(dá)到了設(shè)定要求(設(shè)定要求根據(jù)國標(biāo)要求和Benchmark情況確定)，并且通過環(huán)模試驗(yàn)驗(yàn)證了關(guān)于擋風(fēng)玻璃的除霜性能設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)文獻(xiàn)大多只對穩(wěn)態(tài)流場分析進(jìn)行評價(jià)和修改，而對瞬態(tài)除霜分析的研究分析相對較少，仿真結(jié)果也不夠精準(zhǔn)，難以有可靠的參考價(jià)值。為此建立了三維擋風(fēng)玻璃模型，通過求解非線性焓溫度關(guān)系式來分析前擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面上水/冰層的融化。通過求解焓法，模擬接近真實(shí)模型進(jìn)而得出擋風(fēng)玻璃融霜液態(tài)分布圖，并對仿真準(zhǔn)確性方面進(jìn)行了研究。

1前屏幕除霜檐口特性分析

1.1前屏幕除霜檐口CFD流場分析

前屏幕除霜檐口選用PC/ABS材質(zhì)，密度為1.22 g/cm3，收縮率為0.3%～0.5%。除霜檐口通過自身的卡接結(jié)構(gòu)直接卡接在儀表板上。前屏幕除霜檐口的性能要求在國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11555-2009做了規(guī)定。整個(gè)除霜系統(tǒng)中，除霜格柵是影響最為敏感的部件，除霜格柵主要技術(shù)參數(shù)有格柵的長度、開口寬度、深度、格片角度及格柵條與玻璃的配合角度等，其中任何一個(gè)參數(shù)的改變都會影響其他參數(shù)。

除霜和除霧的性能要求如下：

(1) 除霜性能要求

實(shí)驗(yàn)開始20 min后，將A區(qū)至少80%區(qū)域上的霜除凈；實(shí)驗(yàn)開始25 min后，將A′區(qū)(A區(qū)的對稱ZX平面的區(qū)域)至少80%區(qū)域上的霜除凈；實(shí)驗(yàn)開始40 min后，將B區(qū)至少95%區(qū)域的霜除凈。

(2) 除霧性能要求

實(shí)驗(yàn)開始10 min后，將A區(qū)和B區(qū)至少80%區(qū)域的霧除凈； A區(qū)和B區(qū)在風(fēng)擋玻璃的劃分如圖1所示，設(shè)計(jì)的前屏幕除霜檐口數(shù)據(jù)如圖2所示，其左右兩端導(dǎo)流片與XZ的導(dǎo)向角度為20°。

圖1　風(fēng)擋玻璃A、B區(qū)示意　圖2　前屏幕除霜檐口數(shù)據(jù)

1.2初始設(shè)計(jì)前屏幕除霜檐口仿真實(shí)驗(yàn)

將前屏幕除霜檐口卡接在儀表板上，卡接實(shí)物圖如圖3所示。除霜檐口卡接在儀表板本體后將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，開啟空調(diào)做真實(shí)性仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)開始數(shù)分鐘后可看到汽車擋風(fēng)玻璃出現(xiàn)霧化，如圖4所示。通過仿真實(shí)驗(yàn)分析可知，此前屏幕除霜檐口需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來防止出現(xiàn)擋風(fēng)玻璃霧化。

圖3　 前屏幕除霜檐口和儀表　圖4　 出現(xiàn)霧化的擋 板卡接實(shí)物圖 風(fēng)玻璃

1.3前屏幕除霜檐口穩(wěn)態(tài)特性理論分析

通過汽車除霜性能穩(wěn)態(tài)CFD流場分析，可得除霜風(fēng)道出風(fēng)口速度矢量圖、除霜風(fēng)道及車廂內(nèi)部空氣流動(dòng)軌跡圖、標(biāo)量圖和前擋風(fēng)玻璃氣流速度場分布圖。此過程有助于在瞬態(tài)CFD流場分析之前優(yōu)化除霜風(fēng)道的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流板的形狀、尺寸和角度、位置以及格柵的形狀、角度和位置等結(jié)構(gòu)參數(shù)。在獲得前屏幕除霜檐口、內(nèi)飾CAS、儀表板和座椅等主要數(shù)據(jù)(內(nèi)飾小件可以忽略)后，進(jìn)行前屏幕除霜檐口穩(wěn)態(tài)流場分析。

穩(wěn)態(tài)分析模擬的是一個(gè)定常、不可壓縮的三維流場，主要通過求解連續(xù)方程、動(dòng)量方程和湍流模型得到模擬結(jié)果。本次計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，其中k為湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能耗散率。

連續(xù)方程為：

式中：ui為流體速度在i方向上的分量(i =1，2，3)。

動(dòng)量方程為：

湍流模型為：

Gb-ρε-Ym+Sk

式中：Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Ym為可壓縮湍流引起的可變膨脹對全局耗散率的作用，由于文中為不可壓湍流模型，所以Ym=0；σk、σε分別為k和ε的湍流普朗克數(shù)，σk=1.0，σε=1.3；Sk，Sε為用戶自定義項(xiàng)；ρ為密度；μ為粘性系數(shù)；Xi，Xj分別表示X的i向量和j向量；ui為i向量的氣流速度，UI為湍流粘性系數(shù)。

1.4前屏幕除霜檐口瞬態(tài)特性理論分析

瞬態(tài)CFD流場分析是模擬擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面上冰層的融化過程。除霜過程所用的時(shí)間相對較長，一般在流場瞬態(tài)分析之前先做穩(wěn)態(tài)分析，在穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行能量方程的求解。此過程假設(shè)乘員艙內(nèi)部流場是處于穩(wěn)定的狀態(tài)，只有除霜過程是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的。此瞬態(tài)計(jì)算中，把冰水固液混合物看做一種流體來處理，根據(jù)固態(tài)溫度Tsolidus和液態(tài)溫度Tliquidus定義液相分?jǐn)?shù)β。

H=h+ΔH

ΔH=βL

式中:h為顯焓；ΔH為潛熱焓；href為參考焓；Tref為參考溫度；cp為定壓比熱；L為材料的潛熱液相分?jǐn)?shù)β，定義為:

對于瞬態(tài)分析的除霜模型，能量方程為:

式中:H為焓；ρ為密度；v為流場速度；S為源項(xiàng)。

2前屏幕除霜檐口的設(shè)計(jì)改進(jìn)

氣流擊點(diǎn)位置和速度分布可通過穩(wěn)態(tài)流場分析來確定和完善。確定擋風(fēng)玻璃上的速度分布需要復(fù)雜的計(jì)算和分析過程，第一步需要確定好氣流擊點(diǎn)位置，其影響因素包括β值和出風(fēng)口風(fēng)速，圖5為出風(fēng)方向與前擋風(fēng)玻璃夾角β示意圖，其中夾角β值建議為30°±5°[7]。確定好氣流擊點(diǎn)位置后調(diào)整風(fēng)道導(dǎo)流片參數(shù)，包括形狀、位置和數(shù)量等，然后確定出風(fēng)口格柵參數(shù)，包括高度和形狀等。為了滿足速度分布要求，穩(wěn)態(tài)流場分析需進(jìn)行多次變更、驗(yàn)算及完善。

圖5　出風(fēng)方向與前擋風(fēng)玻璃夾角β示意圖

如果氣流擊點(diǎn)位置偏下，擋風(fēng)玻璃上的風(fēng)量會快速衰減，氣流不易于在擋風(fēng)玻璃上分散流動(dòng)而影響除霜效果，但是如果將氣流擊點(diǎn)位置向上偏移，將推遲氣流達(dá)到湍流流動(dòng)，其有效的除霜面積也會相應(yīng)減小。綜上所述，合理的氣流擊點(diǎn)應(yīng)位于B區(qū)下邊框線稍上位置，各個(gè)氣流擊點(diǎn)位置連接起來形成一個(gè)弧線。因?yàn)槌L(fēng)道是對稱分布的，所以A區(qū)和A′區(qū)也基本是對稱分布的。除霜格柵排出的氣流呈左、右分布，左右側(cè)氣流各自呈扇形散開，在擋風(fēng)玻璃邊緣地區(qū)形成回流。

筆者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)避開偏上和偏下的氣流擊點(diǎn)位置，風(fēng)道中的氣流通過除霜檐口吹向前擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面，經(jīng)過前期計(jì)算后的氣流擊點(diǎn)位置合適，由圖6的前擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面氣流速度云圖可看出，前擋風(fēng)玻璃A區(qū)、A′區(qū)及B區(qū)氣流覆蓋區(qū)域?qū)ΨQ分布，氣流流動(dòng)速度和上升及回流區(qū)域合理，其中，A區(qū)和A′區(qū)80%的區(qū)域氣流流動(dòng)速度大于2.0 m/s，滿足除霜性能要求。

圖6　前擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面速度云圖

前屏幕除霜檐口CFD流場分析需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格是汽車仿真模型的幾何表現(xiàn)方式，也是CFD流場分析的載體。為此將前屏幕除霜檐口在儀表板和風(fēng)道模型約束條件下進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分的過程中，網(wǎng)格的大小和形狀對于計(jì)算結(jié)果的精度影響很大。利用前處理軟件將網(wǎng)格進(jìn)行處理。各葉片連接處、各卡接點(diǎn)連接處、加強(qiáng)筋的結(jié)合處和各圓角等處需要進(jìn)行重點(diǎn)劃分。如果出現(xiàn)畸形網(wǎng)格漏洞，需要仔細(xì)對其進(jìn)行修改。網(wǎng)格的劃分是一項(xiàng)細(xì)致工作，氣流發(fā)生分離區(qū)域和紊流區(qū)域等需要加密劃分，盡可能將網(wǎng)格劃分的均勻合理。將前屏幕除霜檐口進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，其劃分形式如圖7所示。

圖7　前屏幕除霜檐口網(wǎng)格劃分圖

網(wǎng)格劃分后，需要進(jìn)行多輪次仿真實(shí)驗(yàn)。由于除霜風(fēng)道各風(fēng)口分風(fēng)的不同，內(nèi)部會有許多或大或小的渦流存在，這些渦流產(chǎn)生的主要原因是由于除霜風(fēng)道內(nèi)部擾流板結(jié)構(gòu)不合理造成的。為此需要優(yōu)化內(nèi)部存在的較多大尺度或小尺度的渦流，改善除霜風(fēng)道的流場特性。改進(jìn)后的前屏幕除霜檐口如圖8所示。改進(jìn)前的前屏幕除霜檐口如圖9所示。

圖8　改進(jìn)后的前屏幕除霜檐口

圖9　改進(jìn)前的前屏幕除霜檐口

對比改進(jìn)前和改進(jìn)后的前屏幕除霜檐口，能看出改進(jìn)后的除霜檐口的導(dǎo)流葉片、角度的變化。改進(jìn)后的前屏幕除霜檐口氣流上升方向較為合理，中間氣流得到有效提高，且先前實(shí)驗(yàn)中兩側(cè)氣流的偏斜現(xiàn)象得到有效控制，側(cè)除霜?dú)饬鞯膲浩痊F(xiàn)象也沒有出現(xiàn)，除霜效果良好。改進(jìn)后的前屏幕除霜檐口最終產(chǎn)品如圖10所示。

圖10　改進(jìn)后的除霜檐口成品

3結(jié)論與展望

針對某款汽車的除霜檐口除霜性能進(jìn)行CFD流場仿真分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)道及導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的不合理造成各出風(fēng)口分風(fēng)比不均勻以及大量存在的渦流。這些渦流是造成除霜檐口氣流流動(dòng)損失的主要原因。為使該除霜檐口各出風(fēng)口分風(fēng)比均勻，同時(shí)消除或減弱這些渦流對氣流流動(dòng)損失的影響，使除霜檐口除霜性能滿足國標(biāo)除霜性能要求，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對該除霜檐口進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，優(yōu)化了除霜檐口格柵，改進(jìn)后的除霜檐口各出風(fēng)口分風(fēng)比均勻，內(nèi)部氣流流動(dòng)通暢，各出口風(fēng)速增加，氣流流動(dòng)損失顯著減小，改進(jìn)效果顯著，除霜效果達(dá)到了國標(biāo)設(shè)定要求，并得出結(jié)論：

(1) 在整車除霜性能設(shè)計(jì)中，除霜的調(diào)整應(yīng)先從風(fēng)道入手，當(dāng)風(fēng)道的調(diào)整改進(jìn)達(dá)到極限時(shí)，再調(diào)節(jié)前屏幕除霜檐口隔柵。在格柵葉片的大小、位置、角度的調(diào)整過程中，發(fā)現(xiàn)氣流對隔片比較敏感，基于此，可以減小格柵條開口寬度，增加格柵條的深度，以此消

除格柵片的敏感度。

(2) 在穩(wěn)態(tài)流場分析前，先要進(jìn)行除霜風(fēng)道的流量分配計(jì)算，保證各個(gè)出風(fēng)口有合理的出風(fēng)比和壓損，以避免后期對風(fēng)道的整體修改，縮短開發(fā)周期。通過穩(wěn)態(tài)流場分析計(jì)算可以初步確定除霜性能，為瞬態(tài)除霜分析提供判定和修改依據(jù)。

(3) 氣流擊點(diǎn)位置的合理性是除霜區(qū)域流速合理分布的前提條件。調(diào)整氣流擊點(diǎn)位置應(yīng)該放在首位， 隨后才是優(yōu)化風(fēng)道導(dǎo)流片的參數(shù)、出風(fēng)口格柵高度、角度和形狀。瞬態(tài)流場除霜分析是建立在穩(wěn)態(tài)流場分析基礎(chǔ)之上的，而二者又可進(jìn)行對比試驗(yàn)，以查找分析先前除霜檐口設(shè)計(jì)的不足。下一步可通過調(diào)整風(fēng)量或試驗(yàn)溫度來進(jìn)行對比驗(yàn)證，獲得對比結(jié)論進(jìn)而評定其準(zhǔn)確度并進(jìn)行改善。

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