01_10汽车除霜性能分析及优化

汽车除霜性能分析及优化TheCFDSimulationandOptimizationforAutoDeicingPerformance李静，张建立，郑飞，吕志兵（北汽福田汽车股份有限公司分析中心,北京，102206）摘要：汽车空调除霜性能对汽车驾驶和交通安全非常重要，本文利用CFD方法对某型汽车的空调除霜性能进行分析，并对除霜风道进行优化，最终得到了满足设计要求的除霜系统。关键词：除霜风道，风量分配，优化，STAR-CCM+Abstract:ThedeicingperformanceofautoHVACisveryimportantfordrivingandtrafficsafety.Inthispaper,CFDmethodwasusedtoanalyzingdeicingperformanceofthevehicle.Deicingductwasthenoptimizedtoreachthedeicingrequirements.Keyword:DefrostVent，Ventdistribution，Optimization，STAR-CCM+1前言在寒冷的天气下,空气和较冷的车窗表面相接触时温度下降，达到水汽过饱和的时候多余的水汽就会析出。如果气温下降到零度以下，则多余的水汽就在物体表面上凝华为冰晶，停在户外的汽车玻璃上会结上一层冰霜，阻碍驾驶员的视野，对行车安全产生危害。在[1]中，对汽车的除霜系统性能和试验方法做出了严格的规定，要求试验开始20min后，A区域有80%已完成除霜；试验开始25min后，A′区域有80%已完成除霜；试验开始40min后，B区域有95%已完成除霜。区域划分如图1所示：图1除霜A、B区域划分本文利用CFD方法对某车型汽车的除霜性能进行了分析，对除霜风道、格栅出口面积及角度、热风喷口形状和位置等关键部位进行了多轮改进和多次分析计算，最终得到了满足目标要求的除霜系统。与常规方法，空调除霜实验得到的结果再指导设计相比，使用CFD方法节省了大量的时间，降低了设计成本。本文采用STAR-CCM+分析软件对某车型进行除霜风道分析及优化设计，使整车的除霜性能得到优化，其结果最终得到试验验证。2空调除霜风道CFD仿真分析2.1基本理论在STAR-CCM+中挡风玻璃和侧窗玻璃的除霜模拟包括两个过程：整个除霜计算域内的流场稳态计算和除霜过程的瞬态计算。当热气流将热量通过玻璃的内侧传导到玻璃外侧的霜层，霜层温度持续升高，到达融点时，霜层就会开始融化并直到消失。熔化/凝固问题的能量方程为543：STkHUt(1)式中，H为焓；为密度；U为流体速度；S为源项；k为传热系数；T为温度增量。熔化/凝固问题的动量方程为：SgradtdivUdiv(2)式中，表示对应坐标方向上的速度分量。霜层初始能量的计算公式：LtTcAEpiinital00(3)式中，initalE为初始能量；i为霜层密度；为霜层厚度；A为边界面积；Pc为比热容；0T为温度；0t为参考温度；L为潜热。2.2除霜计算模型及分析流程基于空调系统设计人员提供HVAC模型、挡风玻璃、除霜格栅、风道及乘员舱内饰数模，采用Hypermesh软件处理面网格，建模过程中简化了乘员舱模型，未包含假人等模型。再将面网格导入STAR-CCM+中检查是否封闭，按照尺寸设置生成体网格，并设置边界条件，进行空调系统除霜性能分析计算。（如图2、图3所示：）计算边界条件如下：除霜模式下，HVAC入口流量采用最大吹风量；出口压力为1个标准大气压；环境温度采用-18℃；过滤器、蒸发器和暖风芯体均设为多孔介质模型；模型分玻璃域和流体域以及冰层域，壁面均为无滑移边界条件，风道设置四层边界层，稳态计算时，常温不可压缩流动，标准k-e湍流模型；瞬态计算中，入口温度采用空调部门提供的温升实验数据，冰层温度大于0度，则认为冰已化。图2乘员舱模型图3空调及除霜风道模型空调除霜系统CFD分析流程如图4所示，分析过程中首先对几何模型进行处理，并生成计算网格，之后设置物理模型、边界条件进行稳态流场分析计算，当结果不能满足目标要求时，就需要对内部流场进行分析，查找问题点，提出修改建议，进行优化验算，直至达到目标要求。针对优化后的除霜模型进行瞬态计算，瞬态结果验证优化后除霜效果，如果仍不理想，调整相应边界条件，直至满足性能要求。图4空调除霜系统CFD分析流程3初轮结果分析3.1除霜出风口风量分配除霜风道各出风口的风量分配对挡风玻璃上速度分布影响很大，因此，在设计除霜风道时，将各出风口的风量分配作为一项重要的设计目标进行控制。表1为除霜各出风口的风量分配表：由表1可以看出左右侧窗的风量小于目标值，不利于侧窗的除霜；且除霜出风口平均流速偏低，影响除霜效果。表1除霜各出风性能汇总表出风口位置风量风量分配管道静压压差出口平均流速(Kg/h)%(Pa)（m/s）除霜左出口14.73.796.973.1除霜中出口263.466.694.454.8除霜右出口18.34.695.653.8前吹面风道98.725--------3.2前挡风玻璃与左右侧窗玻璃上风速分布根据经验按照除霜出风口吹到玻璃上的风速覆盖大于1.5m/s就能得到理想的除霜效果。计算所得的前风挡和侧风玻璃表面速度分布结果如图5、图6所示：（采用STAR-CCM+软件后处理速度云图，将风速高于1.5m/s的红色区域删去，便于查看）图5前挡风玻璃表面速度云图图6左右侧窗玻璃表面速度云图由图5可以看出前挡风玻璃表面风速分布不均匀，速度大于1.5m/s覆盖面集中在B区的下边缘，不能很好满足A区和A'区的化冰要求；图6可以看出左右侧窗风速大于1.5m/s的区域均靠近玻璃的下侧，位置靠后，且风速明显偏小，不能满足设计要求。分析风道内的流线图（图7）发现，进风在通过除霜风道时，由于风道内截面突变，在管道腔体内产生涡流，造成能量损失。图7除霜风道流线图4结构优化方案经过首轮分析，发现前风挡与左右侧窗出口流量分配不合理、气流流速偏低、除霜效果不满足性能要求等问题。根据除霜风道各出风口流量分配以及风道和乘员舱内的压力和速度矢量分布图，并针对风量分配的大小及部分区域存在涡流的情况对风道做出以下的修改方案：（1）改变HVAC出口部分的风道流动面积（图8）。整个风道采用背压分风，中间流量高，两侧流量偏低，将中间截面采用内凹槽形状，减少中间风道截面面积，将气流挤压到两侧，增大两侧的风量，同时凹槽形状为圆滑过渡，避免风道内部的大涡流，造成能量损失。图8风道截面调整1图9风道截面调整2（2）适当减小除霜管道空腔截面面积（图9），使整个除霜风道腔体截面面积均匀过渡。避免风道截面突然变大气流在腔体内生成涡流，产生噪声；同时对除霜各出风口产生回流，造成能量损失。（3）将前格栅靠近挡风玻璃的内侧出风口两边对称封堵6个口（图10）。封堵中间出风口，增大中间出风口阻力，使两侧分风变大；减少中间出风口面积，使出风口流速增大；同时封堵靠近挡风玻璃内侧的出风口，使流线从外侧出风口打入前挡玻璃处，提高气流与前档玻璃的撞击点，使高于1.5m/s的风速区域上移。图10前格栅堵风口（4）左右侧窗除霜效果较差，气流撞击侧窗位置偏移，优化左右侧格栅出风角度，调整出风口方向。左、右侧窗出口流速经过前三角窗改变气流方向，气流撞击玻璃位置靠后且偏低，将格栅叶片向前偏转一定角度进行调整，使流速高于1.5m/s的区域处于目标要求的化冰区域内，如果气流撞击位置偏低，再将格栅角度向上方略微调整。格栅调整方向如（图11）所示，灰色件为原始格栅造型，红色件为调整角度后的格栅造型。图11优化后的左右侧格栅造型5优化后结果及试验验证结合上述优化方案，分析在考虑装配空间及工程可实施性的前提下，优化后的风量分配结果如表2所示，左右侧除霜流量增大，出风口吹风量分配均匀，较为合理，出口的平均流速也明显增加。表2优化后除霜各出风性能汇总表出风口位置优化后风量优化后出口平均流速优化前风量分配优化后风量分配目标风量分配与目标偏移量优化前优化后(Kg/h)（m/s）%%%除霜左出口35.75.73.79.190.59-0.01除霜中出口201.84.966.651.152-0.280.02除霜右出口32.26.14.68.290.490.089前吹面风道125.5----2531.8300.17-0.06经过优化后，前挡风玻璃和前侧窗上的速度矢量分别如图12、13所示，前档玻璃流速大于1.5m/s区域均匀覆盖A、A'以及B区，比优化前有很大改善；优化后左右侧窗流速大于1.5m/s的区域基本覆盖目标区域，满足侧窗除霜性能要求。图12优化后前挡风玻璃表面速度云图图13优化后左右侧窗玻璃表面速度云图将稳态计算结果作为瞬态的初始值，入口设置除霜试验方所给的温升数据，经瞬态计算，取每隔200s前档玻璃冰层融化温度图，如图14所示，温度大于等于0℃则霜层已经融化，显示为红色区域：图14优化后瞬态分析前挡风玻璃表面温度云图6结论本文采用CFD方法，结合STAR-CCM+软件中多项流FluidFilm除霜模块，对某款车的除霜性能进行分析，初始方案由于风道及格栅角度设计不合理，使得各出风口分风不均匀，吹风位置不理想，流动损失较大，达不到目标除霜要求。针对设计缺陷对除霜模型进行优化，分别从几个方面对其进行改进：1.改变风道截面面积，调控左右及中间流量分配；2.减少除霜管道空腔截面面积，使腔体截面面积均匀过渡，避免涡流损失；3.封堵前格栅出口，调整左右侧格栅角度，使流速高于1.5m/s区域合理覆盖目标化冰区域。最终优化效果显著，满足性能要求。后续可以考虑空调管道内噪声，对其进行更深入分析。参考文献[1]GB11555-2009《汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求及试验方法》.[2]STAR-CCM+帮助文档.[3]周安勇.汽车除霜的计算流体力学仿真[C]//2012年CDAJ-China中国用户论文集.[4]李岳林.工程热力学与传热学.北京：人民交通出版社，2007.4.[5]陈宏芳，建华.高等工程热力学.北京：清华大学出版社，2003.[6]李华.大客车除霜分析及系统优化设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.[7]张殿龙.计算流体力学_CFD_在汽车空调系统除霜性能模拟分析的应用研究[D].沈阳：东北大学，2008.