257基于汽车HVAC风挡除霜冲击射流作用研究

基于汽车HVAC风挡除霜冲击射流作用研究高青，马宁，王永珍，马纯强，王国华（吉林大学热能工程系，长春130025）摘要：本文研究射流主导因素对除霜过程的影响，着重对气流碰撞角和平面角进行影响分析，研究流动、温度及相变除霜影响特性。结果表明，在通常分析条件下，碰撞角φ=60°和平面角β=10°的除霜效果较好。碰撞角φ和平面角β的影响是制约风挡玻璃除霜的重要气流因素，它的作用往往是非单调性的，存在最有利的角度，达到最佳的除霜热气流喷射冲击效果和最有利的作用区域。研究结果对汽车除霜系统的设计与优化具有重要的指导意义。关键词：汽车暖通空调，风挡除霜，冲击射流，喷射角度1引言除霜性能直接影响汽车安全性、舒适性和驾驶性。它是汽车强制性评价的性能指标之一，也是汽车热管理中暖通空调（VehicleHVAC，AutomotiveHVAC）的重要性能。汽车除霜系统的特点是热气体喷射流动，从除霜风道喷出的热射流碰撞到风挡玻璃表面，通过热传导和对流传热方式，将风挡玻璃表面的霜层融化，此过程涉及冲击射流和固液相变两个问题，由此引入了冲击射流的理论问题，如图1所示。在车辆风挡玻璃的消霜除雾过程中，通过对风挡玻璃冲击射流问题的研究，可以提高风挡玻璃的热传递能力，优化风挡玻璃上的热气流消霜除雾作用。射流冲击换热过程涉及到冲击介质与被冲击表面的温度、粗糙度、介质物性参数、冲击方式、喷嘴几何结构和布置方式等诸多因素的影响。早在上世纪80年代，国外就开始进行汽车除霜方面的实验研究，当时的研究重点放在改进除霜喷管设计，分散风挡玻璃附近的气流，对除霜喷管安装位置和角度进行优化等。1987年，Stouffer和Sharkitt[1]发明了射流震荡器来提高风挡玻璃气流热扩散率。1990年，Dugand和Vitali[2]用红外热像技术测量了风挡表面的温度场，推荐出一些提高风挡除霜/除雾性能的设计方法。1997年开始，Bashar[3、4、5]用热线测速仪对除霜喷嘴射流附近和风挡玻璃内表面的速度场进行了实验研究，此后又量化了风挡玻璃附近的速度域，预测其除霜性能。1997年，Brewster[6]等人建立了三维的风挡玻璃除霜模型。2000年，Aroussi等[7]研究了产生不充分的混合流及流动死区。2003年，Farag和Huang[8]对汽车风挡玻璃除冰进行了CFD模拟分析和实验验证。近几年，国内汽车的车内热环境研究工作已经迅速开展起来，但是，在风挡玻璃除霜方面的研究还非常有限。上海交通大学陈江平教授等人[9、10]在汽车空调风道结构设计中，开展除霜风道结构优化研究。周俊龙[11]做了汽车风挡和侧窗除冰的CFD分析。瞿晓华[12]除霜情况进行了数值模拟分析，验证FLUENT可行性与可靠性。从上世纪80年代，人们开始汽车风挡玻璃除霜研究，并不断取得进步。近几年，国外研究者Subrata、射流碰撞区风档玻璃气流喷嘴驾驶室图1风档气体射流碰撞示意图Fig.1Schematicofimpingementonwindshield——————————————基金项目：863国家高技术研究发展计划项目（2006AA11A125）。作者简介：高青（1961-），男，教授，博士生导师；长春市人民大街5988号，130025；电话：[phone]，传真：[phone]，E-mail:[e-mail]等开始关注风挡玻璃消霜除雾冲击射流碰撞的研究，研究利用热空气射流碰撞的风挡玻璃到消霜除雾特性，以及喷嘴形态对斜面玻璃热气流传热传质影响等[13-16]。通过研究冲击射流碰撞技术获得流体和表面间的最大传热能力和除霜能力。为此，着重研究风挡玻璃上的二维固、液融化现象，利用计算流体动力学CFD方法，数值分析除霜性能相关问题，重点研究冲击射流碰撞角度等对除霜性能的影响。2计算与分析2．1模型建立本文在CFD传热平台上，进行除霜过程的稳态分析，确定车内和风挡玻璃稳态流动域，再通过整个流动域的传热过程进行瞬态分析。汽车风档除霜几何模型如图2所示。射流出风形态中的角度是影响冲击碰撞除霜效果的重要参数，它的基本定义分为冲击射流碰撞角和平面角。碰撞角是在风档平面垂直方向上与气流的夹角，由φ表示；碰撞角主要决定射流冲击对壁面的碰撞能力。平面角是在风档水平面上气流与平面下垂线的外夹角，由β表示；平面角β是冲击射流与风挡玻璃在YZ平面所成的向外侧角，平面角的大小影响射流在风挡玻璃上扫过的面积。2．2计算结果与讨论根据工况选定工况为：出风速度为10m/s，出风温度为288K，初始温度为255K，碰撞角φ为60°，平面角β为0°，开口数目为两个，以此作为约定的基准工况，研究不同角度变化及其影响，探讨风挡玻璃热射流冲击碰撞的除霜效果及其作用。2.2.1碰撞角的影响碰撞角主要表征热射流冲击对壁面的碰撞能力。当其它参数均处于约定状态，改变碰撞角φ的大小，假设四种情况：φ-1：碰撞角φ=45°；φ-2：碰撞角φ=60°；φ-3：碰撞角φ=75°；φ-4：碰撞角φ=90°。四种碰撞角的流动状态由图3所示。φ=45°时流线比较规则，冲击强度大，主要集中在风挡玻璃的直接喷射冲击区域，随着角度的增大，流线向两边扩散。当φ=90°热气流喷射直吹风挡玻璃面时（φ-4），顺风挡玻璃面的上升气流减少，从而减弱了风挡玻璃上部区域的热作用，强化了宽度范围热作用。图2风挡玻璃几何模型Fig.2Modelofvehiclewindshield水平角β风挡玻璃L1DHLαφ射流出口βφββ风挡玻璃风挡玻璃α碰撞角φ风挡玻璃外表面平均温度表明综合的受热程度。在不同的碰撞角度下，风挡玻璃外表面平均温度将发生一定的变化，其变化情况如图4所示。显然，碰撞角对风挡玻璃外表面平均温度的影响并非单调的。比较可知，在选择计算的四种角度中，碰撞角φ=60°对应的风挡玻璃外表面平均温度上升最快；φ=45°对应的风挡玻璃外表面的平均温度上升较慢；φ=90°直吹时，风挡玻璃外表面的平均温度上升并非很快，反而也较低。分析可知，直吹具有最小的热流作用区域，但是往往具有最大的集中除霜速度。因此，当碰撞角为60°时，风挡玻璃外表面平均温度最大，也将导致最大的热流平均作用区域和程度。由于最大的受热程度并不能完全表征区域的除霜速率，通常还需通过风挡玻璃液相率变化描述。平均液相率是表征解霜过程融化的液态部分占全部霜体固态的比率，壁面平均液相率可以表明综合解霜除霜效果。图5是不同的碰撞角度下的风挡玻璃平均液相率变化曲线。由曲线变化可知，在风挡玻璃除霜的初始阶段，各种角度除霜效果相差不大。随着时间的推移，碰撞角φ=60°的除霜的综合效果较好，1500秒时的风挡玻璃外表面上的平均液相率趋于1，意味着其上的霜层大体融化。另外二种情况（φ-3和φ-4），将分别经历大约2000秒的时间。最不利的是φ=45°（φ-1）几乎要经历5000秒的时间，由于碰撞角小，碰撞作用弱，过流面积有限，导致综合除霜效果欠佳。不过，尽管φ=90°的直吹的冲击碰撞强度大，但由于影响作用面积有限，也不能获得最佳的综合除霜效果。2.2.2平面角的影响平面角β是表征射流在风挡玻璃上横向流经面积的程度。当其它参数均处于约定状态，改变平面角β的大小，假设四种情况：β-1：平面角β=0°；β-2：平面角β=10°；β-3：平面角β=20°；β-4：平面角β=30°。a．φ-1b．φ-2c．φ-3d．φ-4图3不同碰撞角出口流动迹线Fig.3Streamlineonthedifferentjetangle图4不同喷射角风挡玻璃外表面平均温度Fig.4Averagesurfacetemperatreonthedifferentjetangle四种平面角的流场状态如图6所示，可以看出，随着平面角的增大，射流向两边分散，β=30°时分散的最大，射流能力减弱，形成两侧顺流吹过，中间有很大的区域没有被射流吹到。显然，随着平面角的加大，流场形态从主要的上升流动向增加侧向流动分量的流动发展。由于，风挡玻璃有一定倾斜程度，所以平面角β=30°时流场比较平顺，但射流碰撞冲击减弱。液态分数表征各时刻霜层融化相变程度。液态分数为1，表明霜层已经完全融化；液态分数为0，表明霜层尚未解冻。图7分别显示了不同时刻（300s、1000s、1500s）四种平面角情况下的风挡玻璃霜层液态分数分布的变化规律。结果可知，β=0°和β=10°时的除霜效果较好，其中β=0°时融霜面积有些集中，而β=10°融霜面积有一定程度的散开，并可兼顾到风挡玻璃的边缘区域。但是，随着β角进一步增大，风向两边吹，中间除霜效果较差。当达到β=30°时，风挡玻璃中间大部分都没有融化，而且融化的面积也较小，除霜效果差。图8是不同的平面角β下的风挡玻璃平均液相率变化曲线。由曲线变化可知，在风挡玻璃除霜的初始阶段，各种角度除霜效果相差不大。但是，随着时间的推移，平均液相率的变化差异加大。计算结果可知，平面角β=10°的除霜的综合效果较好，1250秒时的风挡玻璃外表面上的平均液相率趋于1，意味着风挡玻璃霜层大体融化。平面角β=30°的液相率最低，平均液相率只能达到0.8左右。显然，在一定的条件下，平面角β=0°，β=10°，β=20°三种情况随着时间的进程，平均液相率均能达到1，a．时间300sβ-1β-2β-3β-4c．时间1500s图7风挡玻璃融化液态分布Fig.7Liquidfractiondistributiononthedifferentsweepangleandtimeb．时间1000s(a)β-1(b)β-2c．β-3d．β-4图6不同平面角出口流动迹线Fig.6Streamlineonthedifferentsweepangle时间上有些差异。但是，当平面角过大（如β=30°）时，就无法实现风挡玻璃除霜的目的。归纳上述可知，碰撞角φ和平面角β的影响是非单调性的，均存在最佳的角度范围。角度过大或过小无法达到最有利的热气流喷射冲击除霜效果。3结论1．本文对影响除霜的主要因素碰撞角和平面角进行了数值分析，并应用流场分布描述冲击碰撞效果，利用平均液相率描述综合解霜除霜效果，采用液态分数表征各时刻风挡玻璃霜层融化相变程度。2．具体分析事例结果表明，碰撞角φ=60°和平面角β=10°的除霜效果较好。碰撞角φ和平面角β的影响是制约风挡玻璃除霜的重要气流因素，它的应用往往是非单调性的，存在最佳的角度范围。角度过大或过小无法达到最有利的热气流喷射冲击除霜效果。3．热气流通过各种形式喷嘴直接喷射到风挡玻璃，由于流程短，被冲击表面上流动边界层变薄，以及射流携带能量的冲击耗散转化和射流冲击扰动，提高传热能力，有利于风挡玻璃的除霜消雾。4．射流出风形态中的角度是影响冲击碰撞除霜效果的重要参数，最佳角度范围存在为汽车暖通空调热风除霜性能设计提供理论依据。参考文献[1]StoufferRonaldDandSharkittPatrickT.Fluidicoscillator.UnitedStatesPatent4709622,1987[2]DugandM.M.andVitaliD.F.VehicleInternalThermo-FluidDynamics;ExperimentalandNumericalEvaluation.SAEpaperNo.9052335[3]BasharS.AbdulNour.Hot-WireVelocityMeasurementsofDefrosterandWindshieldFlow.SAE970109[4]BasharS.AbdulNour.NumericalSimulationofVehicleDefrosterFlowField.SAE980285[5]BasharS.AbdulNour.CFDPredictionofAutomotiveWindshieldDefrostPattern.SAE011203[6]BrewsterR.A,FrikS,WernerF.Computationalanalysisofautomot