楊曦明

摘 要：文章以某越野車特種駕駛室除霧風(fēng)道為研究對象，對正向開發(fā)過程中的各個階段進行研究。探討了除霧系統(tǒng)在以下幾個方面開發(fā)過程中的方法，并對開發(fā)經(jīng)驗進行總結(jié)。其主要包括前除霧風(fēng)管的設(shè)計、除霧風(fēng)道的CFD分析、除霧風(fēng)道的優(yōu)化、除霧結(jié)果分析、快速樣件風(fēng)速測量、除霧試驗。此次除霧系統(tǒng)正向開發(fā)事例，為后續(xù)車輛的除霧系統(tǒng)的開發(fā)提供了可借鑒的理論基礎(chǔ)、設(shè)計范例、仿真研究、試驗驗證方法，使其能滿足一般汽車的除霧性能要求，減少其開發(fā)時間和開發(fā)費用。

關(guān)鍵詞：汽車；除霧；風(fēng)道設(shè)計；CFD

中圖分類號：U467 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-51-04

Abstract： In this paper， the research object of demist duct about an off-road vehicle cab is studied in all stages of the positive development process. Demist system is discussed the following aspects in the process of development methods， and to summarize development experience， mainly including former demist duct design， in addition the CFD analysis of demist duct， the optimization of mist duct， the mist analysis results， wind speed measurement results of rapid sample， the demist test. Through this positive development examples of demist system， the development of the demist system can be drawn lessons from the basic theory， the design theory， simulation and test verification method， satisfied with the requirement of automobile demist regulations. and it reduces the development time and development costs.

Keywords： Automobile； Defogging； Air duct design； CFD

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-51-04

前言

汽車在寒冷或潮濕環(huán)境下行駛時，駕駛室內(nèi)乘員呼吸出和體表蒸發(fā)的水蒸氣，遇到前風(fēng)窗和車門窗玻璃，受冷凝結(jié)成小水滴，吸附到玻璃上，在風(fēng)窗玻璃的內(nèi)表面上形成一層不均勻的薄霧。這影響駕駛員觀察路況的視線，嚴重威脅駕乘人員的安全。駕駛室風(fēng)窗玻璃起霧，冬季在我國北方，特別是東北、內(nèi)蒙、新疆等高寒地區(qū)尤為明顯；夏季在我國南方，特別是廣東、福建、云南等高濕地區(qū)尤為明顯。

1994年國家出臺了針對除霧性能的強制檢測標(biāo)準(zhǔn)——GB11555-1994，《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能要求及試驗方法》（現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)已更新到GB11555-2009）[1]。它要求每輛汽車應(yīng)裝備除霧系統(tǒng)，能夠確保在潮濕天氣條件下恢復(fù)風(fēng)窗玻璃的能見度。具體要求如下：在10分鐘內(nèi)，汽車玻璃A區(qū)90%完成除霧，B區(qū)80%完成除霧。

1 前除霧風(fēng)管的設(shè)計

1.1 前除霧區(qū)域的定義

車輛的除霧區(qū)域，根據(jù)GB11562-2014《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》[2]進行確定A區(qū)和B區(qū)。A'區(qū)和B'區(qū)是以汽車縱向中心平面為基準(zhǔn)面，與A區(qū)和B區(qū)相對稱的區(qū)域。A區(qū)、B區(qū)、A'區(qū)、B'區(qū)即該車輛所須的除霧區(qū)域。 本車的除霧區(qū)域見圖1。

1.2 前除霧出風(fēng)口數(shù)量

前風(fēng)擋玻璃為兩塊玻璃，單個玻璃的長寬比接近2：1，為保證除霧風(fēng)口除霧時形成的風(fēng)幕能完整的覆蓋每塊玻璃主要區(qū)域，前除霧出風(fēng)口在每塊玻璃下面需布置兩個風(fēng)道，每個風(fēng)道有兩個出風(fēng)口，共8個出風(fēng)口。如圖2、圖3：

1.3 前除霧風(fēng)管設(shè)計要素

1.3.1 前除霧風(fēng)管的中心與前風(fēng)擋玻璃的距離受造型影響為50mm左右，通過查表（見表1）[3]，最后選擇前除霧風(fēng)管的出風(fēng)方向與前風(fēng)擋玻璃的夾角30°左右。

1.3.2 為減少氣流損失，前除霧風(fēng)管兩側(cè)的設(shè)計角度為30°、45°、60°，都不大于60°。[4]

1.3.3 風(fēng)管的寬度為300mm左右，滿足200mm-400mm的區(qū)間。

1.3.4 風(fēng)管的寬度/高度=3，滿足≥1.75的需求。

1.3.5 風(fēng)管之間的盲區(qū)為65mm、105mm、145mm，均小于200mm。

1.3.6 風(fēng)道盡可能圓整，避免風(fēng)道斷面的突變。

1.3.7 風(fēng)道入口截面面積和出風(fēng)口截面面積盡可能相近。

1.4 前除霧風(fēng)管三維數(shù)據(jù)設(shè)計

除霧風(fēng)道在設(shè)計時，由于受儀表板空間的嚴格限制，會因各種避讓增大風(fēng)阻。在遵循風(fēng)道的設(shè)計要素下，設(shè)計風(fēng)道三維數(shù)據(jù)如下：

2 除霧風(fēng)道的CFD分析

2.1 幾何模型

本文車型的除霧風(fēng)道是在CATIA V5 R19的平臺上進行設(shè)計的。幾何模型完全保留了實際構(gòu)建的幾何特征，但為方便除霧計算，一些細小的幾何特征將被忽略，例如管道的弧形倒角將按照硬性直線倒角對待。

網(wǎng)格劃分是運用HyperMesh完成，對于復(fù)雜的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，主要采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，在風(fēng)道、風(fēng)窗玻璃內(nèi)表面及儀表盤表層布置有3層邊界層（見圖4）。網(wǎng)格類型為Polyhedral Mesher和Prism Layer Mesher。

除霧系統(tǒng)是主要以管道流動配合除霧模型的三維瞬態(tài)流場分析，通過STAR CCM+軟件采用有限體積方法離散流場求解N-S方程。對熱源的模擬采用流體域施加能量源項的處理方法進行處理。

除霧風(fēng)道總計有四個出風(fēng)箱outlet1、outlet2、outlet3、outlet4，每個出風(fēng)箱又分為左右兩部分，從左至右分別命名為outlet1R，outlet1L，outlet2R，outlet2L，outlet3R，outlet3L，outlet4R，outlet4L，如圖4所示。其中outlet1R，outlet1L，outlet4R，outlet4L每個有12個出口。

2.2 計算模型及邊界條件

選取穩(wěn)態(tài)計算模型，湍流模型選取Realizable K-Epsilon模型。風(fēng)道本體為無滑移壁面。

除霧風(fēng)道入口為流量入口，出口為Pressure Outlet。

除霧器流量為900m3/h，功率6000W（發(fā)動機冷卻水水溫80℃），出風(fēng)相對濕度96%。

2.3 計算結(jié)果分析

從圖5 流線圖中可以看出出風(fēng)箱outlet4出風(fēng)不暢，在右部有較大回流區(qū)域，導(dǎo)致outlet4R出風(fēng)量相對于outlet4L明顯偏小。圖6展示了各個出口截面的速度分布。可以看出，outlet4R出口平均速度最低。

各個出口出風(fēng)量及所占比例見表2。其中項目占比指的是各個出口出風(fēng)量占總出風(fēng)量的比例。從表2可以看出，outlet4出風(fēng)量最大，outlet1出風(fēng)量最小。四個出風(fēng)箱出風(fēng)量比較平均，但是outlet4左右兩部分出風(fēng)分配極不均勻。

3 除霧風(fēng)道的優(yōu)化

3.1 幾何模型

鑒于四個出風(fēng)箱出風(fēng)量比較平均，僅出風(fēng)箱4左右兩部分出風(fēng)極不均勻，優(yōu)化主要針對出風(fēng)箱4進行。由于周邊部件的限制及安裝需求，對出風(fēng)箱4做了以下四個方案（見圖7）。

3.2 計算結(jié)果分析

四種模型的各個出口出風(fēng)量及占比見表3?？梢钥闯?，每種模型四個出口的出風(fēng)量分配都比較均勻，但只有Model4的出風(fēng)箱4左右兩部分出風(fēng)量比較均勻，符合設(shè)計要求。

4 除霧結(jié)果分析

風(fēng)量設(shè)計標(biāo)稱風(fēng)量為900m3/h，霧層厚度0.015mm。從圖5可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過10分鐘后霧層在風(fēng)窗玻璃A區(qū)完全消除，B區(qū)雖有10%的霧層還沒有消除，但符合法規(guī)要求。見附圖9、圖10。

故該除霧系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

5 快速樣件風(fēng)速測量結(jié)果

5.1 試驗方案

5.2 測量位置見圖11、圖12

5.3 測量數(shù)據(jù)見表5

5.4 結(jié)果分析

從表5中可以看出除霧風(fēng)口的風(fēng)速基本均勻，風(fēng)幕可以覆蓋整個玻璃，滿足設(shè)計需求。

6 除霧試驗

6.1 試驗條件

依照GB11555-2009對整車進行除霧試驗考核。

6.2 試驗結(jié)果

10分鐘后，除霧面積輪廓圖見圖13、圖14。

6.3 試驗結(jié)果及評定

繪制駕駛員和副駕駛員側(cè)的除霧面積輪廓圖，計算面積值和所占風(fēng)窗玻璃總面積的百分比。數(shù)據(jù)結(jié)果按GB/T 8170-2008《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示與判定》要求分別修約到1位小數(shù)。

汽車玻璃A區(qū)100%完成除霧，B區(qū)≧95%完成除霧。滿足法規(guī)要求：在10分鐘內(nèi)，汽車玻璃A區(qū)90%完成除霧，B區(qū)80%完成除霧。除霧試驗合格。

7 結(jié)論

本文通過一款越野汽車的特種駕駛室除霧系統(tǒng)的正向開發(fā)，闡明前除霧風(fēng)道的一般開發(fā)過程和須注意事項。首先通過產(chǎn)品三維設(shè)計，使調(diào)整除霧風(fēng)口的布置位置和除霧風(fēng)管的走向，實現(xiàn)可視化和參數(shù)化，并能充分利用其它功能件剩余的內(nèi)部空間。其次通過除霧風(fēng)道的CFD分析，調(diào)整風(fēng)道風(fēng)量分配，優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計結(jié)構(gòu)。然后除霧風(fēng)道在整個駕駛空間內(nèi)運行的CFD分析，驗證除霧效果。最后通快速樣件的實物驗證，確保產(chǎn)品開發(fā)符合設(shè)計需求，減少風(fēng)道的模具更改費用。通過以上分階段過程的嚴格把控，確保了后續(xù)整車除霧試驗一次性驗證成功。

上述方法是對特種車輛前除霧風(fēng)管的以往經(jīng)驗的總結(jié)。新產(chǎn)品的開發(fā)依照此方法進行設(shè)計，不僅減少方案修改次數(shù)，降低開發(fā)成本，并且縮短研發(fā)周期。

參考文獻

[1] GBll555-2009汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗方法.

[2] GB11562-2014汽車駕駛員前方視野要求及測量方法.

[3] 何明，郭華梅，徐波.HNSAE11039淺談前除霧風(fēng)管的設(shè)計.河南省汽車工程學(xué)會第八屆科研學(xué)術(shù)研討會論文集.p72-74.

[4] 何小飛.汽車風(fēng)道的設(shè)計.汽車工程師.2012第8期.p31-32.