李 明，李國迪，趙衛(wèi)兵，王 淼

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025； 2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長春 130025；3.一汽法雷奧汽車空調(diào)有限公司技術(shù)部，長春 130000； 4.一汽轎車股份有限公司動力總成科，長春 130012)

前言

快速、高效除霜對于減少電動汽車電池能量消耗和延長續(xù)駛里程至關(guān)重要。汽車空調(diào)除霜風(fēng)道的結(jié)構(gòu)特征將直接影響空調(diào)出風(fēng)口的風(fēng)量分配，車內(nèi)溫濕度場，尤其是出風(fēng)格柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)嚴(yán)重影響除霜效率[1-4]。

文獻(xiàn)[5]中通過在格柵左右兩側(cè)各增加一個小格柵增大出風(fēng)量的方式對除霜效果進(jìn)行優(yōu)化。_文獻(xiàn)[6]中建立了三維乘員艙模型并對其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析預(yù)測了乘員艙和風(fēng)窗玻璃表面流體流動、速度分布、溫度分布和融霜模式。文獻(xiàn)[7]中通過改進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu)增加主出風(fēng)口風(fēng)量配送，縮短了風(fēng)窗玻璃除霜時間。文獻(xiàn)[8]中利用CFD方法建立汽車除霜性能動態(tài)模型，并量化了除霜器在風(fēng)窗玻璃附近的氣流速度場。文獻(xiàn)[9]中對數(shù)值模擬中網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量對除霜仿真結(jié)果可靠性的影響進(jìn)行了研究。以上這些研究均證實(shí)了采用CFD分析結(jié)果的可靠性以及風(fēng)道和格柵結(jié)構(gòu)對于除霜時間有重要影響。然而，以上文獻(xiàn)未對最優(yōu)碰撞角Φ和不同出風(fēng)溫度曲線下最優(yōu)碰撞角Φ的除霜效果進(jìn)行探討。

在某款車型開發(fā)過程中，采用CFD與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，探討了汽車空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)特征對整車除霜性能的影響，特別是出風(fēng)格柵相對風(fēng)窗玻璃的碰撞角Φ對除霜效果的影響。通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證理論改進(jìn)的有效性，總結(jié)了格柵特征參數(shù)對汽車空調(diào)的除霜效率影響特性，在不同溫升曲線下探討改進(jìn)后風(fēng)道的除霜效果。

1 CFD物理模型與邊界條件

1.1 除霜區(qū)域劃分

圖1為風(fēng)窗玻璃模型示意圖，其中A區(qū)是駕駛員側(cè)對應(yīng)的區(qū)域，是需要最快除霜的區(qū)域以保證駕駛員前方視野清晰。A′區(qū)是副駕駛側(cè)對應(yīng)的區(qū)域，最終的除霜效果要求使整個風(fēng)窗玻璃完全無霜[10]。

圖1 風(fēng)窗玻璃模型示意圖

不同國家、不同汽車制造商都有自己的除霜除霧的定義和具體要求。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB11555—2009對除霜的定義見表1。

表1 除霜性能國家標(biāo)準(zhǔn)

1.2 除霜過程分析

除霜過程中，將加熱后的空氣通過鼓風(fēng)機(jī)吹入風(fēng)道中，經(jīng)過風(fēng)道對風(fēng)量進(jìn)行配送，通過主格柵和兩側(cè)格柵吹到風(fēng)窗玻璃表面，提高其溫度，進(jìn)行除霜?？蓪⑺獙幼兓暈榱黧w來分析，以液相率σ作為表征霜層變化的參數(shù)，即

式中:tice為霜層溫度，℃；tS為固相溫度，℃；tL為液相溫度，℃。

從傳熱學(xué)角度分析除霜過程，包括通過風(fēng)道出風(fēng)口的熱風(fēng)與玻璃的對流換熱和導(dǎo)熱、被加熱玻璃對霜層進(jìn)行的導(dǎo)熱和霜層與周圍環(huán)境進(jìn)行對流換熱等一系列傳熱過程。以A區(qū)為例，如圖2所示，參考文獻(xiàn)[12]中的公式，霜層吸收的熱量Q為

式中:λg為風(fēng)窗玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；L為風(fēng)窗玻璃厚度，m；t為除霜時間，s；S1為霜層與風(fēng)窗玻璃接觸面的面積，其余 S2，S3，S4，S5和 S6為霜層與周圍空氣的接觸面積，m2；h為霜層與空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)；tτ為玻璃表面溫度，℃，tτ為時間τ的函數(shù)；tair為空氣溫度，℃。根據(jù)汽車除霜除霧實(shí)驗(yàn)相關(guān)國標(biāo)GB11555—2009規(guī)定，一般設(shè)定tair為-20℃。

圖2 A區(qū)霜層簡化模型

1.3 物理模型的建立

所用的乘員艙物理模型見圖3，由風(fēng)道、格柵以及汽車駕駛艙組成。網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量對CFD仿真的精度有重要的影響，在STAR-CCM+中，采用網(wǎng)格生成器生成多面體網(wǎng)格，采用包面處理器對模型進(jìn)行修復(fù)。為保證CFD仿真的精確性，風(fēng)窗玻璃處的網(wǎng)格尺寸應(yīng)盡可能小，對風(fēng)道、格柵、風(fēng)窗玻璃和兩側(cè)玻璃能觀察到后視鏡的部分局部加密，采用2.5mm的網(wǎng)格，其它區(qū)域采用10mm網(wǎng)格，既保證了仿真的精確度，又減少了計算時間。模型先生成面網(wǎng)格，再生成體網(wǎng)格，最終體網(wǎng)格數(shù)量超過6百萬。求解器中，時間步長設(shè)置為1s；內(nèi)部迭代為5次；最大時間步2 000步。為提高仿真效率，減少仿真時間，先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，然后再將物理模型改為隱式不定常模型進(jìn)行瞬態(tài)計算。

圖3 乘員艙網(wǎng)格模型

風(fēng)道模型如圖4所示，底部為進(jìn)風(fēng)口，上部有4個出風(fēng)口，其中中間兩個(中左出風(fēng)口和中右出風(fēng)口)為主出風(fēng)口，用于風(fēng)窗玻璃的除霜；兩側(cè)(左出風(fēng)口和右出風(fēng)口)為側(cè)出風(fēng)口，用于后視鏡視野區(qū)的除霜。

圖4 風(fēng)道模型體網(wǎng)格示意圖

熱風(fēng)經(jīng)過格柵導(dǎo)流后吹向風(fēng)窗玻璃是沖擊射流的一種[11-15]。沖擊射流是指射流對固體壁面或液體表面等的沖擊流動，即氣體或者液體在壓差的作用下，通過圓形或窄縫形噴嘴垂直或成一定傾角噴射到被冷卻或加熱的表面上。

汽車風(fēng)窗玻璃所在平面與氣流在XZ平面投影的夾角，稱為除霜出風(fēng)口處空氣的碰撞角，用Φ表示，如圖5所示，它主要決定沖擊射流對玻璃壁面的碰撞能力，是影響玻璃除霜效率的重要參數(shù)。

圖5 碰撞角Φ示意圖

除霜效果的好壞一方面取決于熱風(fēng)的溫度和流量等，另一方面取決于除霜熱量有效率ηQ的大小，即熱風(fēng)中用于除霜的熱量Qeff與熱風(fēng)中所含有的總熱量Q的比值。在Q一定時，ηQ越大，除霜效果越好，除霜的能耗越低。經(jīng)過格柵的除霜熱風(fēng)對玻璃壁面的碰撞能力越強(qiáng)，則除霜熱量有效率ηQ越大。

1.4 邊界條件設(shè)定

計算時，假定空氣為不可壓縮流體，湍流模型為Realizable k-ε模型，差分采用2階迎風(fēng)格式，隱式解法。在風(fēng)窗玻璃外表面激活thin film模型模擬霜層，霜層厚度根據(jù)國標(biāo)GB11555—2009相關(guān)規(guī)定，環(huán)境溫度設(shè)定為253±2K，動態(tài)隨機(jī)變化。按照實(shí)驗(yàn)，計算的霜層厚度設(shè)定為0.44mm，除霜風(fēng)道入口空氣流量為350m3/h。出口邊界為壓力出口，壓力設(shè)置為0。其它邊界均設(shè)置為壁面邊界。

2 風(fēng)道的改進(jìn)設(shè)計

除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)直接影響汽車空調(diào)的除霜性能，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法確定風(fēng)道的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行風(fēng)量配送的CFD仿真分析，對風(fēng)道不合理處進(jìn)行改進(jìn)。

表2為風(fēng)道的4個出風(fēng)口的風(fēng)量設(shè)計目標(biāo)與仿真得出的風(fēng)量分配結(jié)果。由表2可知，風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量分配不均勻。中右出風(fēng)口風(fēng)量比例過高，超過了目標(biāo)值，而中左出風(fēng)口的風(fēng)量較少，會導(dǎo)致A′區(qū)除霜較快而A區(qū)較慢。

表2 除霜風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量分配

圖6 風(fēng)道改進(jìn)圖

針對以上問題，對風(fēng)道結(jié)構(gòu)不合理處進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，具體改進(jìn)措施如圖6所示。在風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處增加導(dǎo)流板，均勻兩出風(fēng)口的出風(fēng)量，引導(dǎo)熱風(fēng)向主駕駛除霜出風(fēng)口流動，增加左側(cè)出風(fēng)口和中左側(cè)出風(fēng)口風(fēng)量，甚至超過中右側(cè)和右側(cè)出風(fēng)口的風(fēng)量，保證駕駛員正對的風(fēng)窗玻璃A區(qū)優(yōu)先除霜。

改進(jìn)后的風(fēng)道風(fēng)量分配如表3所示。由表3可以看出，改進(jìn)后的風(fēng)道風(fēng)量分配比例較為合理，除霜時優(yōu)先A區(qū)，使駕駛員的視野得到保障。

表3 改進(jìn)后除霜風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量分配

3 格柵布置的優(yōu)化

通過改進(jìn)風(fēng)道使各出風(fēng)口的風(fēng)量分配滿足實(shí)際需求后，再借助改變格柵相對風(fēng)窗玻璃的傾角，來改變碰撞角Φ可能是進(jìn)一步改善除霜效果的有效方法。 因此，設(shè)定碰撞角 Φ 為 50°，55°，60°，65°和 70°進(jìn)行仿真，對不同角度時玻璃的平均溫度和霜層厚度進(jìn)行對比分析。

3.1 風(fēng)窗玻璃外表面平均溫度對比分析

風(fēng)窗玻璃外表面的溫度情況一定程度上反映了除霜過程的快慢。經(jīng)過格柵導(dǎo)流后的熱風(fēng)與風(fēng)窗玻璃間的碰撞角Φ過大或過小，均會使除霜時間變長，除霜效果變差。這是由于碰撞角越小，熱風(fēng)距離風(fēng)窗玻璃內(nèi)表面距離越大，在熱風(fēng)吹向玻璃的過程中，與駕駛艙內(nèi)的空氣換熱量增加，使熱量有效率ηQ下降。碰撞角過大，熱風(fēng)吹向風(fēng)窗玻璃表面時，與玻璃接觸面積減小，使玻璃被加熱區(qū)域變小，也不利于快速除霜。

仿真結(jié)果如圖7所示，碰撞角Φ為50°和55°時，風(fēng)窗玻璃外表面溫度最高，這是由于此時熱風(fēng)吹到玻璃與玻璃內(nèi)表面的接觸面積增大，使導(dǎo)熱面積增加，增加了換熱量，從而使在開始階段溫升速率快。在除霜開始階段的0～500s內(nèi)，這種現(xiàn)象最明顯，因?yàn)殚_始階段，風(fēng)霜玻璃外表面溫度基本保持一致，與環(huán)境溫度相同。風(fēng)窗玻璃與熱風(fēng)的接觸面積越大，則溫升的區(qū)域也越大。在除霜后期，隨著風(fēng)窗玻璃自身溫度不均勻，導(dǎo)致玻璃內(nèi)部存在導(dǎo)熱情況，使除霜后期溫升速率差別不如前期明顯。

圖7 不同碰撞角玻璃外表面平均溫度變化曲線

3.2 霜層平均液相率σ對比分析

霜層平均液相率σ直接反映除霜情況，σ＝0時，未進(jìn)行除霜；σ＝1時，除霜完成。圖8為不同碰撞角Φ對應(yīng)的時間-平均液相率曲線。在開始階段，各Φ角下的除霜效果基本一致，這是由于剛開始吹出熱風(fēng)溫度較低，風(fēng)窗玻璃外表面溫升較慢，玻璃與霜層間的換熱量較小。由圖7可知，在500s后，由于Φ為50°和55°時的玻璃外表面溫度明顯高于其它情況，故這兩種Φ角對應(yīng)的液相率σ上升最快，圖8也證實(shí)了這一點(diǎn)。仿真得出的除霜效果列于表4。由表可見，碰撞角Φ為55°時，效果最佳，除霜時間為1 300s。

圖8 不同碰撞角對應(yīng)的時間-平均液相率曲線

在得出碰撞角Φ＝55°除霜效果最好的結(jié)論后，為進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證，對Φ＝54°和Φ＝56°的除霜效果進(jìn)行仿真。900s時，除霜效果如圖9所示。

與表4比較可知，Φ＝54°和Φ＝56°的除霜效果都不如Φ＝55°，且最終碰撞角Φ＝54°時，霜層完全消除的除霜時間為1 380s；碰撞角Φ＝56°時，除霜時間為1 460s，均比碰撞角Φ＝55°時長，故碰撞角Φ＝55°時，除霜效果確實(shí)最佳。

表4 不同Φ和時間下的除霜效果圖

圖9 Φ＝54°和Φ＝56°時900s除霜效果圖

3.3 出風(fēng)溫升規(guī)律對于除霜效果的影響

經(jīng)過格柵導(dǎo)流后的熱風(fēng)通過與風(fēng)窗玻璃間的對流換熱以及玻璃內(nèi)部自身導(dǎo)熱使玻璃整體溫度升高，掠過玻璃表面的風(fēng)溫不同，會導(dǎo)致被加熱區(qū)域的玻璃表面溫度不同，進(jìn)而影響玻璃內(nèi)部導(dǎo)熱，從而影響除霜效果。

在得到格柵最優(yōu)碰撞角后，進(jìn)一步討論格柵對于不同出風(fēng)溫升規(guī)律的適應(yīng)性。同種車型一般風(fēng)窗玻璃位置和儀表臺的位置固定，故其碰撞角也是固定的，但是同種車型由于所配動力源的不同，除霜工況的出風(fēng)溫升規(guī)律會有變化。本研究涉及兩種車型:搭載2.0T發(fā)動機(jī)，利用廢氣余熱作為除霜熱源的普通汽車；采用功率5kW的PTC加熱器作為除霜熱源的電動汽車。兩者除霜風(fēng)道的出風(fēng)口空氣溫升規(guī)律不同。圖10為普通汽車的發(fā)動機(jī)與電動車的PTC加熱器兩種除霜熱源所得到的出風(fēng)口空氣溫升規(guī)律對比圖。從圖中可以看出，兩者溫度變化的規(guī)律差距很大。

圖10 PTC與發(fā)動機(jī)加熱后風(fēng)道出風(fēng)口溫升曲線

在Φ＝55°的格柵下，其余條件保持不變，采用PTC加熱曲線進(jìn)行除霜，除霜效果如圖11所示。

采用PTC加熱器進(jìn)行除霜的整體除霜時間為980s，與PTC加熱器相比，由于發(fā)動機(jī)溫升曲線上升速率慢，使其完全除霜時間要晚于同等狀況下PTC加熱器的除霜時間，純電動汽車在除霜方面有著一定的優(yōu)勢。

本研究還進(jìn)行了不同溫升曲線條件下不同格柵碰撞角的仿真，因篇幅所限，未予列出。但仿真結(jié)果表明，不同溫升曲線對應(yīng)的最優(yōu)除霜效果的格柵碰撞角大致相同。

圖11 碰撞角Φ＝55°時PTC加熱器除霜效果圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行除霜實(shí)驗(yàn)。根據(jù)國標(biāo)GB11555—2009，將被測車輛置于能容納被測車輛且維持實(shí)驗(yàn)溫度在-18±3℃的低溫實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，采用噴槍將0.044g/cm3乘以風(fēng)窗玻璃面積值的水量均勻地噴射在玻璃外表面上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖12。

圖12 實(shí)驗(yàn)除霜效果圖

首先開始除霜是駕駛員側(cè)對應(yīng)的A區(qū)，這與改進(jìn)風(fēng)道后仿真得出的風(fēng)量配送比一致。在碰撞角Φ＝55°實(shí)驗(yàn)得出的除霜時間為1 340s，與經(jīng)過CFD仿真分析的結(jié)果進(jìn)行比較，誤差為4%，認(rèn)為仿真結(jié)果有效。同時，驗(yàn)證了CFD分析的可靠性。在實(shí)際車型開發(fā)過程中，風(fēng)窗玻璃安放位置不僅要考慮除霜效果，還需要考慮美觀和風(fēng)阻系數(shù)等。在實(shí)際調(diào)整碰撞角Φ時，可著重考慮儀表臺安放位置，以及格柵嵌在儀表臺的位置、角度、深度等，使碰撞角Φ＝55°。

5 結(jié)論

(1)將風(fēng)道與格柵作為整體進(jìn)行改進(jìn)，利用CFD仿真軟件，對某汽車開發(fā)過程中汽車空調(diào)的除霜性能進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)原除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導(dǎo)致風(fēng)量分配不合理，除霜效率低。通過改進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu)，調(diào)整風(fēng)量分配，滿足了風(fēng)量分配的設(shè)計要求。

(2)在風(fēng)道達(dá)到合理分配的基礎(chǔ)上，對格柵的布置進(jìn)行改進(jìn)，通過STAR-CCM+對三維乘員艙模型在不同碰撞角Φ下進(jìn)行數(shù)值模擬。得出Φ＝55°是最佳除霜碰撞角，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)出于實(shí)際情況的需要，著重對普遍使用的純電動汽車和搭載2.0T發(fā)動機(jī)車傳統(tǒng)的溫升規(guī)律下的除霜效果進(jìn)行研究，證實(shí)Φ＝55°適用于不同溫升規(guī)律。

(4)在車型開發(fā)過程中，可采用CFD仿真分析的方式對風(fēng)道和格柵碰撞角Φ的數(shù)值模擬，以減少開發(fā)周期和成本。