程露 裴永帥 王小碧

摘要：本文應(yīng)用CFD數(shù)值仿真分析方法，對(duì)某軍車空調(diào)除霜性能進(jìn)行研究分析。針對(duì)該軍車前窗玻璃上的風(fēng)速分布不均、除霜效率差的問題，通過調(diào)整中間風(fēng)管本體結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)流板度等多項(xiàng)措施，改善該軍車空調(diào)的除霜性能。最后試驗(yàn)驗(yàn)證除霜風(fēng)管優(yōu)化結(jié)果的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào);除霜;CFD優(yōu)化

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車行駛的安全性能越來越重要。CFD仿真分析在在汽車的設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用越來越廣闊。寒冷的環(huán)境下汽車的玻璃易結(jié)霜，前風(fēng)擋除霜直接影響駕駛員獲取前方視野，影響車輛的安全性和駕駛性。

某軍車在寒區(qū)-35℃低溫下使用時(shí)，除霜面積不滿足前方視野要求。為此對(duì)此軍車進(jìn)行寒區(qū)的除霜試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，此軍車除霜性能差，除霜效果無法滿足寒區(qū)低溫下的除霜要求。

本文運(yùn)用STAR-CCM+軟件對(duì)此軍車空調(diào)進(jìn)行除霜風(fēng)道的CFD仿真分析，對(duì)除霜風(fēng)道以及出風(fēng)口導(dǎo)流板角度等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，改善出風(fēng)口的風(fēng)量分配比例以及前風(fēng)擋玻璃上的速度分布情況，并通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的有效性，滿足設(shè)計(jì)的要求。

2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)該軍車進(jìn)行除霜穩(wěn)態(tài)仿真分析。穩(wěn)態(tài)分析模擬的是一個(gè)定常、不可壓縮的三維流場(chǎng)，主要通過求解連續(xù)方程、動(dòng)量方程和湍流模型得到結(jié)果。

式中，u_i為流體速度在方向上的分量（i=1，2，3）。

動(dòng)量方程：

湍流模型：本次計(jì)算選用k-ε湍流模型，k為湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能消散率。

其中，G_k是由于平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能的k產(chǎn)生項(xiàng);G_b是由于浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Y_M為可壓縮湍流引起的可變膨脹對(duì)全局耗散率的作用，由于文中為不可壓湍流模型，所以Y_M=0;σ_k、σ_ε分別為k和ε的湍流普朗克數(shù)，σ_k=1.0，σ_ε=1.3; S_K，S_e為用戶自定義項(xiàng);ρ為密度;μ為粘性系數(shù);x_i，x_j分別表示x的i向量和J向量;u_i為i向量的氣流速度;C_1ε=1.44;C_2ε=1.92;C_3ε=1.86;μ_t湍流粘性系數(shù)^[1]。

3 原方案除霜仿真結(jié)果分析

該軍車空調(diào)除霜性能的仿真模型包含汽車空調(diào)系統(tǒng)的HVAC模型以及儀表板、玻璃，車門等車身內(nèi)表面的幾何模型。計(jì)算模型以及前窗玻璃分區(qū)模型如圖1所示：

根據(jù)國(guó)標(biāo)，將玻璃上的區(qū)域劃分為A，A和B區(qū)三個(gè)區(qū)域，如圖2所示：

本次仿真計(jì)算人口設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口。出幾設(shè)置為壓力出口，壓力為0Pa：在除霜分析中，風(fēng)道風(fēng)量分配、風(fēng)道內(nèi)氣流流動(dòng)的平穩(wěn)性和氣流的沖擊點(diǎn)都是影響車輛除霜性能的重要參數(shù)。通過穩(wěn)態(tài)分析得到該方案前風(fēng)擋氣流速度分布情況。在Star-CCM+中對(duì)除霜風(fēng)管的四個(gè)出風(fēng)口進(jìn)行出風(fēng)量的監(jiān)測(cè)，可以得到除霜風(fēng)管各個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量分配比，如表2所：

根據(jù)表3中除霜風(fēng)管出風(fēng)口的配氣比可以看出，前風(fēng)擋各個(gè)除霜出風(fēng)口的配氣分配不均勻，駕駛側(cè)和副駕駛側(cè)出風(fēng)口風(fēng)量相差較大，其中，駕駛側(cè)兩出風(fēng)口出風(fēng)比例少，不滿足設(shè)計(jì)要求。前風(fēng)擋玻璃上速度分布仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖3中可以清楚的看出氣流從出風(fēng)口流出后的流動(dòng)方向，高速氣流主要集中在副駕駛側(cè)，以及駕駛側(cè)的B區(qū)，主要分布在玻璃的中間區(qū)域，而駕駛側(cè)A區(qū)處氣流較少，部分區(qū)域基本無氣流經(jīng)過。圖4為前風(fēng)擋玻璃上近壁速度分布云圖，從圖中可以看出前風(fēng)擋玻璃駕駛側(cè)和副駕駛側(cè)的速度都比較小，在玻璃A區(qū)和A區(qū)域的部分地方基本無氣流流動(dòng)，同時(shí)前窗玻璃上氣流的落風(fēng)點(diǎn)偏低，落風(fēng)點(diǎn)集中在玻璃B區(qū)下方，影響玻璃上部氣流的風(fēng)速，降低風(fēng)管的除霜性能。仿真結(jié)果表明除霜風(fēng)管原方案除霜效果差，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

根據(jù)仿真結(jié)果得到前窗玻璃風(fēng)速分布不均勻的原因主要為除霜風(fēng)道本體結(jié)構(gòu)問題和出風(fēng)口導(dǎo)流板角度的問題。

其中除霜風(fēng)道本體結(jié)構(gòu)問題為：

（1）出風(fēng)口風(fēng)量分配不均，副駕駛側(cè)出風(fēng)量較大，駕駛側(cè)出風(fēng)量較小。

（2）風(fēng)道內(nèi)部存在明顯大尺寸和小尺寸渦流。

（3）風(fēng)管內(nèi)部分區(qū)域基本無氣流經(jīng)過。

（3）出風(fēng)口風(fēng)速不均、風(fēng)速最大值和最小值差異大。

導(dǎo)流板角度問題為：

（1）前窗氣流沖擊點(diǎn)偏低，前風(fēng)擋玻璃頂部除霜困難。

3 除霜風(fēng)管的優(yōu)化

通過對(duì)原方案仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)除霜風(fēng)管原方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以便改善除霜風(fēng)管內(nèi)的氣流狀態(tài).使前風(fēng)擋玻璃上風(fēng)速分布合理。在考慮裝配空間以及工程可實(shí)施性的基礎(chǔ)上，對(duì)除霜風(fēng)管及導(dǎo)流板作優(yōu)化改進(jìn)。

其中除霜風(fēng)道本體改進(jìn)措施主要有以下幾點(diǎn)，具體方案如圖5所示。

（1）根據(jù)出風(fēng)口處流線的方向，適當(dāng)調(diào)整各個(gè)出風(fēng)口的位置和面積，起到一定的控制風(fēng)速及風(fēng)量分配的作用。

（2）風(fēng)管中部分區(qū)域沒有流線通過，去掉此部分，節(jié)約材料成本。

（3）對(duì)風(fēng)管上的凹槽部分進(jìn)行圓滑處理，避免出現(xiàn)不必要的凹槽。

（4）風(fēng)管進(jìn)行圓滑過渡處理，調(diào)整風(fēng)道轉(zhuǎn)折半徑，最大限度的消除風(fēng)道內(nèi)部渦流。

（5）風(fēng)管內(nèi)部增加擾流筋條，將目標(biāo)比例的風(fēng)量從各出風(fēng)口導(dǎo)出。

導(dǎo)流板改進(jìn)措施為：

（1）調(diào)整導(dǎo)流板角度，優(yōu)化導(dǎo)流板邊緣弧度，對(duì)出風(fēng)口風(fēng)量進(jìn)行導(dǎo)向。

通過對(duì)除霜風(fēng)管及導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化，最終的優(yōu)化方案如圖7所示。

4 優(yōu)化方案仿真結(jié)果分析

方案優(yōu)化后，通過CFD仿真分析其改善效果。在除霜穩(wěn)態(tài)仿真分析過程中，對(duì)新方案的除霜出風(fēng)口的出風(fēng)景進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各出風(fēng)口的風(fēng)最分配比例如表3所示。從表3中可以看出，出風(fēng)口的風(fēng)量分配比得到極大的改善，出風(fēng)口風(fēng)量不再集中在副駕駛側(cè)，而是在駕駛側(cè)和副駕駛側(cè)這件比較均衡的分布。

優(yōu)化改進(jìn)后，CFD仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。圖8為優(yōu)化后的風(fēng)管內(nèi)速度流線圖，可以看出出風(fēng)口的氣流不再集中在副駕駛側(cè)，而是相對(duì)均勻的覆蓋前風(fēng)擋玻璃的兩側(cè);同時(shí)，風(fēng)管內(nèi)渦流減少。圖9為前窗玻璃速度分布云圖，從圖中可以看出，前風(fēng)擋玻璃駕駛側(cè)和副駕駛側(cè)速度分布不存在較大差異，速度大于1.5m/s的速度區(qū)域基本覆蓋A區(qū)、A區(qū)，同時(shí)前窗玻璃上氣流的落風(fēng)點(diǎn)得到提高，高速氣流集中在玻璃A區(qū)、A區(qū)下方，玻璃表而的氣流流動(dòng)相比優(yōu)化前得到明顯改善，提高風(fēng)管的除霜性能。

優(yōu)化后方案仿真結(jié)果：

（1）到達(dá)玻璃內(nèi)表面風(fēng)速1.5m/s基本全部覆蓋A區(qū)、A區(qū)。

（2）風(fēng)量分配合理，達(dá)到目標(biāo)要求。

（3）除霜風(fēng)道內(nèi)氣流流動(dòng)平穩(wěn)，無明顯渦流。

（4）氣流沖擊點(diǎn)提高，位置合理。5試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化改進(jìn)后對(duì)除霜風(fēng)管進(jìn)行樣件試制，并進(jìn)行實(shí)車除霜試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示優(yōu)化后風(fēng)管實(shí)車測(cè)量弱風(fēng)區(qū)域的問題得到顯著改善，除霜性能得到明顯的提高。除霜效果如表4所示，除霜性能得到明顯提高，滿足使用需求。

通過以上過程可以看出，倘若在前期進(jìn)行類似的CFD仿真分析，那么在汽車研發(fā)試制階段前，本文所涉及到的問題則完全可以避免，采用仿真分析方法可以有效的減少試驗(yàn)次數(shù)，快速高效的解決實(shí)際中存在的問題，極大的降低了研發(fā)成本。

6 結(jié)論

本文通過STAR CCM+軟件對(duì)某軍車空調(diào)的除霜性能進(jìn)行CFD仿真分析發(fā)現(xiàn)原方案除霜風(fēng)管的配氣比以及玻璃上的速度分布均不滿足設(shè)計(jì)要求。通過仿真分析明確了改進(jìn)方向，在原方案的基礎(chǔ)上對(duì)除霜風(fēng)管及其格柵進(jìn)行了一系列的優(yōu)化改進(jìn)措施。通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法有效的解決了車輛除霜性能的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱娟娟，蘇秀平，陳江平汽車空調(diào)除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]汽車工程，2004，26（ 6）;747-749