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出风道结构改进对汽车除霜性能的影响分析

2019-03-15 23:28:23·  来源：AutoAero  作者：刘盛达  
　
在某款车型开发过程中，采用CFD与实验相结合的方法，探讨了汽车空调风道结构特征对整车除霜性能的影响，特别是出风格栅相对风窗玻璃的碰撞角Φ对除霜效果的影
    在某款车型开发过程中，采用CFD与实验相结合的方法，探讨了汽车空调风道结构特征对整车除霜性能的影响，特别是出风格栅相对风窗玻璃的碰撞角Φ 对除霜效果的影响。通过实验分析验证理论改进的有效性，总结了格栅特征参数对汽车空调的除霜效率影响特性。

1.CFD物理模型与边界条件

1.1 除霜区域划分
 

除霜性能国家标准GB11555—2009

1.2 除霜过程分析
 
    可将霜层变化视为流体来分析，以液相率σ 作为表征霜层变化的参数,σ=0时，未进行除霜;σ=1时，除霜完成。
 

式中，tice为霜层温度，℃ ; tS 为固相温度，℃ ; tL 为液相温度，℃。
 
    从传热学角度分析除霜过程，包括通过风道出风口的热风与玻璃的对流换热和导热、被加热玻璃对霜层进行的导热和霜层与周围环境进行对流换热等一系列传热过程。以A区为例，如图所示，
 

A 区霜层简化模型

霜层吸收的热量Q为:


式中: λg为风窗玻璃的导热系数，W/( m·℃ ) ; L为风窗玻璃厚度，m;t为除霜时间，s;S1为霜层与风窗玻璃接触面的面积，其余S2，S3，S4，S5和 S6为霜层与周围空气的接触面积，m²; h为霜层与空气的表面传热系数，W/( m²·℃ ) ; tτ为玻璃表面温度,℃，tτ为时间τ的函数; tair为空气温度，℃。根据汽车除霜除雾实验相关国标GB11555—2009规定，一般设定tair为-20℃。

1.3 物理模型的建立

    所用的乘员舱物理模型如下图所示，


乘员舱网格模型

为保证CFD仿真的精确性，风窗玻璃处的网格尺寸应尽可能小，对风道、格栅、风窗玻璃和两侧玻璃能观察到后视镜的部分局部加密，采用2. 5mm的网格，其它区域采用10mm网格。体网格数量超过6百万，求解器中,时间步长设置为1s; 内部迭代为5次; 最大时间步2000步。先进行稳态计算，然后再将物理模型改为隐式不定常模型进行瞬态计算。

    风道模型如下图所示，其中中间两个为主出风口，用于风窗玻璃的除霜; 两侧为侧出风口，用于后视镜视野区的除霜。


风道模型体网格示意图

    汽车风窗玻璃所在平面与气流在XZ平面投影的夹角，称为除霜出风口处空气的碰撞角，用Φ 表示，如图所示,


碰撞角Φ 示意图

1.4 边界条件设定

   计算时，假定空气为不可压缩流体，湍流模型为Realizable k-ε 模型，差分采用2阶迎风格式，隐式解法。在风窗玻璃外表面激活thin film模型模拟霜层，霜层厚度根据国标GB11555—2009相关规定，环境温度设定为253±2K，动态随机变化。按照实验，计算的霜层厚度设定为0.44mm，除霜风道入口空气流量为350m³/ h。出口边界为压力出口，压力设置为0。其它边界均设置为壁面边界。

2.风道的改进设计

    除霜风道结构直接影响汽车空调的除霜性能，先根据经验方法确定风道的结构，并进行风量配送的CFD仿真分析，对风道不合理处进行改进。   

    下表为风道的4个出风口的风量设计目标与仿真得出的风量分配结果。由表可知，中右出风口风量比例过高，超过了目标值，而中左出风口的风量较少，会导致A'区除霜较快而A区较慢。
除霜风道出风口的风量分配


    针对以上问题，对风道结构不合理处进行相应的改进，在风道的进风口和出风口处增加导流板，均匀两出风口的出风量，引导热风向主驾驶除霜出风口流动，增加左侧出风口和中左侧出风口风量，甚至超过中右侧和右侧出风口的风量，保证驾驶员正对的风窗玻璃A区优先除霜。改进后的风道风量分配如表所示，由表可以看出，改进后的风道风量分配比例较为合理。
改进后除霜风道出风口的风量分配


3.格栅布置的优化

    通过改进风道使各出风口的风量分配满足实际需求后，再借助改变格栅相对风窗玻璃的倾角，来改变碰撞角Φ 可能是进一步改善除霜效果的有效方法。因此，设定碰撞角Φ为50°，55°，60°，65°和 70°进行仿真，对不同角度时玻璃的平均温度和霜层厚度进行对比分析。

3.1 风窗玻璃外表面平均温度对比分析

    碰撞角越小，热风距离风窗玻璃内表面距离越大，在热风吹向玻璃的过程中，与驾驶舱内的空气换热量增加，使热量有效率ηQ下降。碰撞角过大，热风吹向风窗玻璃表面时，与玻璃接触面积减小，使玻璃被加热区域变小，也不利于快速除霜。

    仿真结果如下图所示，碰撞角Φ为50°和55°时，风窗玻璃外表面温度最高。


不同碰撞角玻璃外表面平均温度变化曲线

3.2 霜层平均液相率σ 对比分析

    下图为不同碰撞角Φ 对应的时间—平均液相率曲线由表可见，碰撞角Φ 为 55°时，效果最佳，除霜时间为1300s。

不同碰撞角对应的时间-平均液相率曲线
    在得出碰撞角Φ=55°除霜效果最好的结论后，为进一步进行验证，对Φ=54°和Φ=56°的除霜效果进行仿真。900s 时，除霜效果如下图所示，

Φ=54°和Φ=56°时 900s 除霜效果图

    与下图比较可知，Φ=54°和Φ=56°的除霜效果都不如Φ = 55°时，故碰撞角 Φ = 55°时除霜效果最佳。


不同Φ 和时间下的除霜效果图

4.实验验证

    在仿真分析的基础上，进行除霜实验。根据国标GB11555—2009，将被测车辆置于能容纳被测车辆且维持实验温度在-18±3℃ 的低温实验室中进行，用喷枪将 0. 044g /cm³乘以风窗玻璃面积值的水量均匀地喷射在玻璃外表面上，实验结果见下图，
 

实验除霜效果图

    首先开始除霜是驾驶员侧对应的A区，这与改进风道后仿真得出的风量配送比一致。在碰撞角Φ=55°实验得出的除霜时间为1340s，与经过CFD仿真分析的结果进行比较，误差为4% ，认为仿真结果有效。

5.结论

    (1) 将风道与格栅作为整体进行改进，利用 CFD仿真软件，对某汽车开发过程中汽车空调的除霜性能进行仿真分析，发现原除霜风道结构设计不合理，导致风量分配不合理，除霜效率低。通过改进风道结构，调整风量分配，满足了风量分配的设计要求。

    (2) 在风道达到合理分配的基础上，对格栅的布置进行改进，通过STAR-CCM+对三维乘员舱模型在不同碰撞角Φ 下进行数值模拟。得出Φ=55°是最佳除霜碰撞角，并进行相关实验验证。

    (3) 在车型开发过程中，可采用CFD仿真分析的方式对风道和格栅碰撞角Φ的数值模拟，以减少开发周期和成本。

文章节选自：
李明,李国迪,赵卫兵,王淼.出风道结构改进对汽车除霜性能的影响分析[J].汽车工程,2018,40(11):1364-1369+1375.

编者：刘盛达
评论润色：张英朝
如有意相关技术合作，请联系张英朝教授，发邮件至：yingchao@jlu.edu.cn！
 
 
 
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