基于STAR-CCM+的汽车除霜分析研究

STAR2013中国用户大会论文集胡忠辉，长城汽车股份有限公司技术中心，动力总成工程研究院，主要从事整车热管理工作。通信地址：河北省保定市南市区朝阳南大街2266号长城汽车股份有限公司技术中心071000Tel：[phone]基于STAR-CCM+的汽车除霜分析研究胡忠辉，史东林，张俊岩，邹佳异（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定071000）(Tel:[phone],Email:[e-mail])摘要：基于STAR-CCM+软件对汽车除霜分析进行研究，分别探讨了玻璃内表面第一层网格厚度、模型计算域的大小处理对计算结果的影响。结果表明，稳态除霜分析时，应先确定第一层网格厚度标准，可建立不完整乘员舱模型计算；瞬态除霜分析时，应建立完整乘员舱模型计算。关键词：汽车；除霜；第一层网格厚度；计算域TheDeicingAnalysisofVehicleBasedonSTAR-CCM+HuZhonghui,ShiDonglin,ZhangJunyan,ZouJiayi(R&DCenterofGreatWallMotorCompany,AutomotiveEngineeringTechnicalCenterofHeBei,baoding071000）Abstract:ThisresearchaboutthevehicledeicingisbasedonthesoftwareofSTAR-CCM+.Separatelydiscussedtheresultundertheinfluenceofthethicknessofthefirstlayercellonglassinnersurface,thesizeofthecomputefield.Theresultshowsthatthesteadydeicinganalysisshouldfirstconfirmthethicknessofthefirstlayercell,whenwecanbuildincompletemodel;relativelythetransientdeicinganalysisshouldbuildtheintegritymodeltocompute.Keywords:vehicle;deicing;thethicknessofthefirstlayercell;thefieldofcompute1前言汽车空调的除霜性能直接影响驾驶员的视野情况及驾驶安全，是衡量空调系统性能的关键指标。国家法规GB11555-2009《汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法》对车辆空调系统的除霜除雾性能做出要求[1]。传统的空调系统设计主要依赖经验，试制后进行测试，难以得到流场的详细信息，不能为问题整改提供依据，甚至需要反复试制和测试，增加车辆开发成本，延长开发时间。而CFD分析能够得到详细的流场信息，不但可以验证设计的合理性，也可以为设计改进提供依据。CFD分析的介入同时能够大大缩短开发时间，大幅降低开发成本[2-4]。由于影响除霜分析结果的因素较多，本文以商用CFD软件STAR-CCM+为主要研究工具，在大量的数据积累和验证计算的基础上，研究了除霜分析计算过程中玻璃内表面第一层网格厚度、模型计算域的大小处理对计算结果的影响。2计算模型及边界条件2.1基础理论STAR-CCM+中挡风玻璃和侧窗玻璃的除霜分析包括两个过程：稳态分析和瞬态分析。稳态分析关注风窗玻璃和侧窗玻璃的各区域表面速度大小；而瞬态分析关注风窗玻璃和侧窗玻璃的各区域的霜层厚度随时间的变化，需考虑乘员舱内部温度场对玻璃内表面的对流传热、玻璃的热传导以及霜层的融化。乘员舱内部温度场对玻璃内表面的对流传热：∅=hA(tc−tg1)（1）STAR2013中国用户大会论文集式中：∅为热流量；h为表面传热系数；A为表面面积；tc为乘员舱内空气温度；tg1为玻璃内表面温度。2）玻璃内表面到玻璃外表面的热传导：∅=−λA(tg1−tg2)dx（2）式中：λ为热导率；tg2为玻璃外表面温度；dx为玻璃厚度；负号表示热量传递方向与温度升高方向相反。3）STAR-CCM+中霜层的融化如图1所示[5]，其中假设融化的霜变成水后全部流走，不残留在玻璃或冰层上，且不再凝固为霜，即：ṁmelt=ṁrun−off（3）式中：ṁmelt为霜融化的质量；ṁrun−off为水流走的质量。根据图1得整个除霜过程的能量平衡方程为：ṁmelths(Tice)+q=ṁrun−offhL(TF)+(1−Cemp)q（4）式中：hs(Tice)为霜在初始状态下的焓；q为乘员舱通过玻璃传递给霜的热量，即q=∅dt；hL(TF)为霜在刚好融化为水临界状态下的焓；Cemp为霜吸收热量占总热量的经验系数。则霜层厚度随时间的变化方程为：dsdt=−ṁmeltAρs（5）式中：s为霜层厚度；ρs为霜层密度。图1STAR-CCM+中除霜原理2.2计算模型建立根据整车除霜区域建立除霜系统封闭腔体的模型，如图2所示。图2除霜模型2.3边界条件流体区域空气假定为不可压气体，湍流模型选择RealizableK-Epsilon模型，采用2阶迎风差分格式进行空间离散，迭代方式采用Simple算法，玻璃表面位置激活thinfilm模拟霜层，霜层厚度设STAR2013中国用户大会论文集定为0.5mm，详细边界设定如下：1）环境温度为-18℃；2）入口速度为10.834m/s，入口温度为随时间变化的曲线，如图3所示；3）出口边界为自由流出口；4）其他边界为壁面边界，初始温度均为-18℃。图3入口温度为随时间变化的曲线3结果分析3.1第一层网格厚度对比针对第一层网格厚度影响提出表1两种方案，分别建立计算模型经过3000步的稳态计算，已达到收敛，得到玻璃内表面的CellRelativeVelocity：Magnitude分布如图4、图5所示。表1第一层网格厚度方案对比方案编号第一层网格厚度其他设置对应图号一0.4mm两方案均相同图4二1.2mm两方案均相同图5图4方案一玻璃内表面速度图图5方案二玻璃内表面速度图如图4、图5所示，对比玻璃内表面速度大于1.8m/s的红色区域，方案一明显小于方案二，其主要原因是玻璃内表面第一层网格厚度影响所致。因STAR-CCM+作为一款有限体积法计算流体动力学软件，其玻璃内表面速度为第一层网格节点上的速度。由于空气粘性的作用，在玻璃内表面将形成速度边界层，其速度值是随远离壁面的程度而逐渐增大，故会造成边界层内第一层网格厚度不同造成读取的速度分布不一致[6]。因此，在稳态除霜分析时，应首先确定第一层网格厚度，进而用玻璃内表面速度大小和区域来衡量除霜效果。3.2计算域对比除霜分析模型的计算域的大小通常有完整乘员舱模型和B柱前（不完整）乘员舱模型两种，如2552752953153353550500100015002000温度（K）时间（s）STAR2013中国用户大会论文集图6和图7所示，分别对此两种模型进行稳态分析对比和瞬态分析。图6完整乘员舱模型图7不完整乘员舱模型3.2.1稳态除霜分析两方案经过3000步的稳态计算，模型已达到收敛，得到计算时间、各出风口风速和风量分配。表2计算域大小方案对比方案编号不同点其他设置网格数量稳态计算时间对应图号一完整乘员舱模型两方案均相同300万10h图6二不完整乘员舱模型两方案均相同220万7h图7由表2可知：由于计算域的减小，在体网格各项设置相同的情况下，体网格数量明显下降，最终使方案二计算时间较少30%。图8各出风口风速对比图9各出风口风量分配对比由图8可知：由于计算区域的减小，出风口速度有所增加，但最大增加量仅为1%。由图9可知：各出风口风量分配不变。综上所述，在工程设计阶段需要分析风量分配时，可考虑建立不完整乘员舱模型计算除霜风道各出风口风量分配，从而减少计算时间，以便更快速的为设计人员提供分析结果。3.2.2瞬态除霜分析在稳态计算收敛的基础上，对两方案进行瞬态计算20分钟后，霜层已全部除净。02468左侧出口左中出口右中出口右侧出口风速（m/s）出风口位置完整乘员舱模型不完整乘员舱模型11.2%38.9%38.5%11.4%左侧出口左中出口右中出口右侧出口风量分配出风口位置完整乘员舱模型不完整乘员舱模型STAR2013中国用户大会论文集图10瞬态除霜时间-面积对比由图10可知：由于计算域的减小，各时刻的除霜面积比例有所增加，最大为9%，其原因主要有两种：第一种是不完整乘员舱模型各出风口速度较大，使其玻璃内表面与舱内空气的表面传热系数较完整乘员舱模型大，其热流量大；第二种是不完整乘员舱模型计算域较小，在相同热量的情况下，其温升较完整乘员舱模型快，玻璃内表面与乘员舱温差较大，玻璃内热流量大。两种原因均使不完整乘员舱模型较完整乘员舱模型的热流量大，从而除霜速度较快，使其结果与试验结果偏差较大。因此，为保证瞬态除霜分析与试验结果有可对比性，应建立完整乘员舱模型进行瞬态除霜分析。4结论基于STAR-CCM+软件对汽车除霜分析中玻璃内表面第一层网格厚度、计算域的大小进行研究，固化了其部分参数，为评价及对比除霜分析结果提供依据。（1）在稳态除霜分析时，应首先确定第一层网格厚度，进而用玻璃内表面速度大小和区域来衡量除霜效果；（2）在工程设计工艺阶段，应建立不完整乘员舱模型进行计算，以便快速为计人员提供空调除霜风道各出风口风量分配分析结果；（3）瞬态除霜分析时，应建立完整乘员舱模型进行计算，以保证瞬态除霜分析与试验结果有对比性。参考文献[1]国家发展和改革委员会.GB11555-2009汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能要求及试验方法［S］.北京:国家发展和改革委员会,2009.[2]周安勇,王树桂,刘旌扬.汽车除霜的计算流体力学仿真[J].汽车技术,2012,12:51-53.[3]董素艳.客车挡风玻璃除霜性能试验与数值模拟[J].系统仿真技术,2011,7(3):190-195.[4]邓峰,谷正气,杨易等,汽车前风窗玻璃除霜除雾数值模拟分析和研究[J].汽车工程,2009,31(2):175-179.[5]STAR-CCM+Help[6]Versteeg,H.K.AnIntroductiontoComputationalFluidDynamic:TheFiniteVolumeMethod[M].北京:世界图书出版公司,2010.5.0.000.200.400.600.801.00121416已除霜面积比瞬态除霜时间（s）A-完整乘员舱模型A-不完整乘员舱模型