基于動網(wǎng)格技術(shù)的風(fēng)擋除霜新方法的數(shù)值模擬

摘要：運用CFD方法對某車型擋風(fēng)玻璃除霜過程數(shù)值模擬，針對現(xiàn)有國標規(guī)定分區(qū)中A區(qū)除霜過慢的問題，提出了一種除霜新方法，在風(fēng)口處設(shè)計能繞自身軸線回轉(zhuǎn)的導(dǎo)流葉片，結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)，計算除霜瞬態(tài)過程.結(jié)果表明：葉片初始偏轉(zhuǎn)角度為42°，A區(qū)的除霜效果最好，努賽爾數(shù)提高13.7%，270 s時刻，令葉片以角速度ω=0.073 3 rad/s偏轉(zhuǎn)，280 s時刻回轉(zhuǎn)至初始位置.A區(qū)霜層除去80%面積所需時間與原模型相比縮短60 s，在保證除霜完全的基礎(chǔ)上優(yōu)先除去A區(qū)霜層，實現(xiàn)駕駛員視野的快速清晰.

關(guān)鍵詞：計算流體動力學(xué)；除霜；動網(wǎng)格

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A

汽車風(fēng)窗玻璃結(jié)霜起霧是人們在日常生活中經(jīng)常遇到且需要解決的問題，尤其是風(fēng)擋關(guān)鍵視野區(qū)域除霜過慢，導(dǎo)致駕駛員視野不能快速清晰，造成安全隱患.

國內(nèi)外學(xué)者對汽車玻璃除霜除霧性能進行了廣泛的研究，文獻[1]使用STAR-CD實現(xiàn)了對前擋風(fēng)玻璃除霜除霧效果的數(shù)值模擬.文獻[2]將數(shù)值仿真結(jié)果與試驗進行定性對比，驗證了CFD方法的準確性.文獻[3-4]采用數(shù)值仿真與試驗驗證相結(jié)合的方法，計算出風(fēng)口風(fēng)量分配，得出玻璃附近的流場分布，對除霜風(fēng)管和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進，使得除霜效果滿足所需要求.文獻[5-6]研究了客車風(fēng)擋的除霜效果，對吹風(fēng)管道和送風(fēng)口進行優(yōu)化改進，針對空調(diào)熱源不足，采用電阻絲加熱方式加快除霜.文獻[7]分析了氣流從矩形出風(fēng)口沖擊固定傾斜壁面的流體熱參數(shù)，將仿真結(jié)果與試驗進行對比.文獻[8]提出了一種除霜新方法，在風(fēng)擋內(nèi)部噴涂一層透明的材料，通過吸收太陽能解化霜層.文獻[9]分析了除霜除霧試驗過程和實驗設(shè)備安裝，并采用圖像分析方法對除霜效果進行評價.前人所做的工作大多是對除霜管道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化或者在玻璃處提供額外熱源以改善除霜效果，而從空氣動力學(xué)角度，專門針對提高關(guān)鍵可視區(qū)域除霜效果的研究較少.

傳統(tǒng)的除霜噴嘴位于風(fēng)擋玻璃下部，暖氣流自下而上擴散開，霜霧也從下邊緣逐漸解化，對駕駛員視野影響較大位置的霜霧解化較慢，基于此，本文應(yīng)用V點確定法，將關(guān)鍵視野區(qū)域進行細分，并提出了一種新的風(fēng)擋除霜方法：設(shè)計一出風(fēng)導(dǎo)向機構(gòu)，運用動網(wǎng)格技術(shù)，使暖氣流的方向隨著時間變化，首先除去關(guān)鍵視野區(qū)域的霜霧，之后導(dǎo)向機構(gòu)回復(fù)至初始位置，融化其他位置的霜層.

1數(shù)值計算方法

1.1網(wǎng)格劃分及邊界條件

乘員艙模型如圖1所示，由于其內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用四面體網(wǎng)格離散，并對玻璃附近網(wǎng)格進行加密，玻璃厚度4 mm，霜層厚度0.5 mm，玻璃和霜層采用棱柱體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為130萬.

邊界條件：入口設(shè)置為速度入口，流量為380 m3/h，出口為壓力出口，其余為靜止壁面，空氣與玻璃、玻璃與霜層之間均為耦合熱邊界.計算過程中進行如下簡化：

1）將霜層視作一種流體，相變過程隨溫度變化，用液相率σ表征其融化狀態(tài)，

σ=T-TSTL-TS，TS

其中TS為固相溫度；TL為液相溫度；σ=1說明解化完成.

2）除霜過程只考慮熱傳導(dǎo)和熱對流，忽略了輻射對除霜的影響.

3）霜層在解化過程中僅發(fā)生相變，忽略冰霜融化后的流動.

1.2湍流模型

不同的湍流模型對流場計算結(jié)果會產(chǎn)生顯著影響[10].RNG kε模型主要通過在大尺度運動和修正后的黏度項體現(xiàn)小尺度的影響，將小尺度運動從控制方程中移除.在對NavierStokes方程進行雷諾時均化處理時，引進了雷諾應(yīng)力項uiuj，為使方程組封閉，必須對雷諾應(yīng)力做出某種假定，在大量的實驗基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雷諾應(yīng)力方程如下[11]：

這種湍流模型通過修正湍流黏度，考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)流動情況，可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較強的流動，因此它比較適合乘員艙內(nèi)部流場的仿真計算.

1.3數(shù)值計算方法的試驗驗證

除霜試驗需要環(huán)模風(fēng)洞，成本較高，因此采用類似模型來驗證計算方法的合理性，文獻[12]采用某轎車風(fēng)擋及HVAC模塊，玻璃傾角39°，厚6 mm，導(dǎo)熱率1.4 W，在擋風(fēng)玻璃外表面安裝一塊功率為368 W/m2的矩形熱板（0.304 8 m×0.457 2 m），氣流從送風(fēng)口吹向擋風(fēng)玻璃，用T型熱電偶測得送風(fēng)氣流溫度為25.5 ℃，最后采用液晶溫度傳感器測量熱板位置處玻璃內(nèi)壁的溫度分布.為了驗證數(shù)值方法的準確性，將仿真獲得的結(jié)果與Subrata Roy的試驗結(jié)果對比，圖2為玻璃內(nèi)表面Z=0.633 3 m位置點的試驗與仿真得出的溫度值，試驗值與仿真值較吻合，溫差在5°以內(nèi).圖3為熱板處玻璃內(nèi)表面溫度分布云圖，可以看出，試驗與仿真獲得的溫度分布趨勢非常相近.由計算結(jié)果可知，該數(shù)值計算方法可以用來模擬氣流沖擊傾斜玻璃面的流動和傳熱.

2初始模型

2.1關(guān)鍵可視區(qū)域劃分

目前，關(guān)鍵可視區(qū)域的確定主要方法有2種，一種是SAE提出的眼橢球法；另一種是EEC標準中提出的V點確定法[13].V點即表征駕駛員眼睛位置的點，它與通過駕駛員乘坐位置中心線的縱向鉛垂平面、R點（座椅基準點）及設(shè)計座椅靠背角有關(guān).此點用于檢查汽車視野是否符合要求.通常用兩個不同的點V1，V2點來表示V點的不同位置.V點相對R點位置，由三維坐標系的X，Y，Z坐標確定，當(dāng)座椅靠背角25°時的基本坐標如表1所示.

GB 11555-2009[14]沿用歐洲EEC標準，根據(jù)人體的視野范圍，采用V點確定關(guān)鍵可視區(qū)域，將風(fēng)擋玻璃分為A，A和B區(qū)，對其除霜除霧時間做出規(guī)定.其中A和A區(qū)呈對稱分布，分別為駕駛員與副駕駛正對視野區(qū)域，實際生活中，人們首先關(guān)注的是對視野影響較大的位置并希望其霜霧能夠快速消失，因此將較重要的A區(qū)分成如圖4所示的8個域，命名為A1～A8，其中A1和A8分別為從視點V1仰視3°和V2俯視1°區(qū)域，A2～A7為駕駛員從視點V1，V2平視區(qū)域.

圖4玻璃分區(qū)示意圖

Fig.4Division of windshield glass

同時為更加準確地監(jiān)測霜層的解化過程，將與A，B區(qū)相對應(yīng)位置的霜層分為3部分：命名為Ia，Ib，Ic，分別監(jiān)測其相變過程，各部分霜層之間以及霜層與玻璃之間采用耦合熱邊界.

2.2初始模型除霜效果

觀察不同時刻的除霜效果，如圖5所示，霜層最先開始解化的區(qū)域位于B區(qū)的下邊緣，此處為暖氣流沖擊區(qū)域，根據(jù)射流沖擊傳熱機理，該處的傳熱傳質(zhì)得到強化，傳熱系數(shù)遠高于其他位置，且氣流溫度較高，因而除霜最先完成；隨著時間的推移清晰的區(qū)域由下往上逐步擴展，霜層從120 s時刻開始解化，而到320 s左右A區(qū)依然沒有完全清晰，這種由下向上的除霜模式，導(dǎo)致司乘人員視野區(qū)域的霜層融化較慢，關(guān)鍵視野區(qū)域不能快速清晰，效果不甚理想.

為進一步說明造成這種現(xiàn)象的原因，觀察風(fēng)擋內(nèi)部流場，圖6為駕駛室縱截面速度圖，可以看出，出風(fēng)口位于風(fēng)擋前端，暖氣流從風(fēng)口流出后沖擊玻璃壁面，然后向上發(fā)散，均勻覆蓋玻璃內(nèi)壁，這樣的設(shè)計避免了吹風(fēng)死角，保證了風(fēng)擋霜霧解化的徹底性，但也導(dǎo)致A區(qū)除霜過緩，駕駛員視野不能快速清晰，行車過程中可能造成危險，因此下文在噴口處設(shè)計了出風(fēng)導(dǎo)流裝置，使暖氣流首先流向A區(qū)，將A區(qū)大部分霜霧解化后，調(diào)整氣流方向，再除去其它位置，保證關(guān)鍵視野區(qū)域的霜霧快速消失.

3改進模型

3.1基本原理

為調(diào)整暖氣流流向，在噴嘴處添加如圖7所示的導(dǎo)向葉片P1，P2，使得暖氣流直接流向A區(qū)，這樣可以明顯改善A區(qū)的除霜效果，但因此也會導(dǎo)致玻璃下部霜霧難于解化，甚至形成吹風(fēng)死角，因此將該葉片設(shè)計成可繞自身軸向旋轉(zhuǎn)的活動裝置，待A區(qū)霜霧基本除盡后，改變?nèi)~片偏轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)氣流方向的調(diào)整，基本原理為：初始時間段內(nèi)，導(dǎo)向片偏轉(zhuǎn)角度使氣流吹向A區(qū)，待其霜層解化后，葉片回復(fù)至初始位置，之后葉片保持靜止，即A區(qū)霜層解化后，葉片開始運動，公式表示如下：

葉片沿軸向的轉(zhuǎn)動采用動網(wǎng)格方法，F(xiàn)luent中具有3種動網(wǎng)格模型：彈簧近似光滑模型、動態(tài)分層模型和局部重劃模型.動態(tài)分層模型僅適用于四邊形和六面體網(wǎng)格，因此采用彈簧近似光滑和局部重劃模型，將導(dǎo)流葉片定義為rigid body，使之按給定的旋轉(zhuǎn)角速度繞自身中心軸線轉(zhuǎn)動，對導(dǎo)流片附近的網(wǎng)格變形及重新劃分，同時計算流動方程和能量方程.

3.2初始角度選擇

葉片偏轉(zhuǎn)角θ決定了暖氣流的分布，進而影響除霜效果，為使得A區(qū)除霜效果最佳，計算0～50°范圍內(nèi)10組偏轉(zhuǎn)角下A區(qū)的努賽爾數(shù)Nu，用最小二乘法擬合，得到A1～A8區(qū)的Nu隨θ變化曲線，可知當(dāng)葉片偏轉(zhuǎn)角θ在42°左右時Nu達到最大，因此θ0選取42°.

3.3時間確定

當(dāng)θ0=42°時，霜層液相率隨時間變化如圖10所示，t1=270 s時刻，A區(qū)霜層液相率達到0.8，霜層融化80%，基本清晰，B區(qū)和C區(qū)霜層融化55.5%，25.3%，為使葉片迅速恢復(fù)至垂直位置，除去B，C區(qū)霜層，令葉片以角速度ω=0.073 3 rad/s回轉(zhuǎn)，加載動網(wǎng)格模型.t2=280 s時刻，葉片回轉(zhuǎn)至θ=0°，網(wǎng)格停止運動，為保證計算精度提高效率，在不同時間段內(nèi)選用不同時間步長，網(wǎng)格變形過程中的時間步長為0.1 s，其余為1 s，最大迭代次數(shù)50次.

3.4瞬態(tài)流場分析

風(fēng)擋內(nèi)表面的流場分布隨葉片轉(zhuǎn)動而變化，由圖11可知，葉片轉(zhuǎn)動前，速度較大的區(qū)域集中在A區(qū)，使該位置的霜層能快速解化，隨著時間推移，逐漸向下移動至B區(qū)域，280 s時刻停止.

3.5改進模型除霜效果

通過觀察除霜瞬態(tài)過程可以得出霜層的解化趨勢，圖14為改進后的除霜瞬態(tài)過程，A區(qū)霜層最先開始融化，并逐步向四周擴展，在280 s時A1～A8區(qū)已部分或完全清晰，A2，A3，A5，A6的霜層最先解化完成，形成一大片完整的視野區(qū)域，同時刻原模型僅有一小部分霜層解化.

4結(jié)論

本文針對風(fēng)擋關(guān)鍵視野區(qū)域除霜過慢的問題，提出了一種新型方案，在風(fēng)口位置設(shè)計了偏轉(zhuǎn)角度能隨時間變化的導(dǎo)向葉片，采用CFD方法，結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)，驗證了該方案理論上的可行性，具體結(jié)論如下：

1）與原模型相比，添加導(dǎo)向葉片后，且葉片偏轉(zhuǎn)角度為42°時，A區(qū)的努賽爾數(shù)提高13.7%.

2）0到270 s內(nèi)，葉片偏轉(zhuǎn)角度為42°，270 s到280 s內(nèi)，葉片以角速度ω=0.073 3 rad/s回轉(zhuǎn)，最終回復(fù)至θ=0°，在此過程中，A區(qū)除霜80%所需時間與原模型相比減少1 min，在玻璃外表面布滿霜層的環(huán)境下，實現(xiàn)了駕駛員關(guān)鍵視野區(qū)域的快速清晰.

3）將動網(wǎng)格方法運用到汽車內(nèi)流場的計算，實現(xiàn)了內(nèi)部邊界連續(xù)變化，使除霜氣流首先流向?qū)︸{駛員視野影響較大的A區(qū)，提高了A區(qū)除霜效率的同時避免造成吹風(fēng)死角.

參考文獻

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