某客車除霜風口設計布置及CFD仿真分析

張大偉，林偉，李金磊，楊慶如（山東沂星電動汽車有限公司，山東臨沂276000）

某客車除霜風口設計布置及CFD仿真分析

張大偉，林偉，李金磊，楊慶如
（山東沂星電動汽車有限公司，山東臨沂276000）

介紹M3類客車除霜風口設計要點，重點分析M3類客車除霜目標區(qū)域的確定、除霜風口的布置及吹風方向的設計，闡述利用有限元分析軟件進行CFD除霜仿真分析的步驟，為M3類客車除霜風口設計布置設計提供參考。

客車除霜；風口；設計布置；CFD仿真

汽車除霜除霧功能屬于汽車安全行駛的重要性能指標，除霜效果的好壞直接影響駕駛員行車視野的清晰程度，對駕駛員及乘客的安全有著重要作用。目前關于M3類客車的除霜風口設計及相關分析文獻較少。本文主要根據M1類汽車相關標準，類比對某M3類12 m客車除霜風口的布置設計及除霜仿真分析進行說明。

圖1 風擋玻璃除霧區(qū)域示意圖

1 除霜風口設計布置

M1類汽車除霜除霧國家標準有GB 11555-2009[1]和GB 24552-2009[2]，而客車乘員數量較多，需更加重視客車除霜性能；本文根據M1類汽車除霜標準對M3類客車A區(qū)及A′區(qū)已完成除霜除霧的面積增加5%，因此對M3類客車除霜除霧規(guī)定如下：要求M3類客車除霜開始后20 min內，A區(qū)域內有85%面積已完成除霜；除霜開始后25 min內，A′區(qū)域內有85%面積已完成除霜；除霜開始后40 min內，B區(qū)域內有95%面積已完成除霜。除霧開始后10 min內，A區(qū)域內有95%面積已完成除霧，B區(qū)域內有80%面積已完成除霧[1-2]。目標區(qū)域劃分如圖1所示。

1.1 前除霜風口布置原則

為保證除霜口出風在前風擋玻璃表面形成完整風幕，達到除霜效果，需保證除霜風口布置合理，出風角度正確。設計布置原則如下[3-7]：

1）除霜器的風口位置設在距離前風擋玻璃80～100 mm遠處，風口需布置在儀表臺前端。

2）風口Y向總長度不小于前風擋玻璃Y向寬度的2/3，根據前風擋玻璃寬度布置相應數量風口，保證能夠形成完整風幕。

3）風口前邊緣點與駕駛員視野前風擋交點連線與風擋玻璃夾角在3°～20°之間，角度根據前風擋傾斜角度增大而增大；并且除霜風口角度有旋轉可調功能。

4）除霜風道管路設計應盡量減少彎曲，防止造成回風出現熱量損失，避免風速降低。

5）風口上端距離車輛內地板高度為600～650 mm，除霜效果最好（駕駛員視野線與前風擋交點高度1 000 mm以上）。

根據以上布置原則，M3類客車前除霜風口布置范圍如圖2所示。

圖2 風口布置區(qū)域及氣流方向

1.2 前除霜風口吹風方向

如圖2所示，作經過眼點與水平平面成α（該α夾角為噴射點所在平面與眼點中心點連線并與水平面所成的夾角）的直線為駕駛員正常行駛時視力所及位置，α夾角大小直接影響前除霜風口的吹風方向，而夾角α數值則根據眼點距離地面的高度決定；當眼點距離地面0～1 000 mm時，夾角α為2°～4°；當眼點距離地面1 000～1 250 mm時，夾角α為4°～6°；當眼點距離地面1 250 mm以上時，夾角α為6°～8°。

除霜風口吹出熱風需遵守無阻擋原則，且需在α夾角視線與前風擋交點以下200～250 mm處形成風幕；現12 m客車該眼點距離地板高度約為1 050～1 100 mm，并作α為4°～6°夾角下視野線，以此視野線與前風擋輪廓線的交點做與前風擋成25°～30°夾角的直線，該直線方向即為前除霜風口主氣流方向，以此方向吹出氣流除霜效果最佳；且此吹風方向位于A區(qū)、B區(qū)下邊緣則滿足要求[6]。

1.3 除霜口結構設計

客車常用出風口外形主要有圓孔形及長條形，兩者主要區(qū)別在于：圓形風口一般采用波紋管直接連接，且圓形風口的吹風橫截面積要大于長條形風口（直徑φ50的圓形風口橫截面積比220 mm×4.5 mm的長條形風口大一倍左右），且圓形風口吹風速度下降較快，不易吹到預定部位，除霜效果不好；圓形風口在前風擋所形成的風幕寬度較窄，需布置多個風口才能滿足除霜要求，成本增加，外觀效果不良，因此選取小截面風口除霜效果最好[6]。

使用同等功率及流量的除霜器，長條形風口吹風速度要明顯大于圓形風口，能形成較大風幕，使用數量較少；客車長條形除霜風口開口寬度在3～5 mm，開口長度方向為前風擋的Y方向，開口長度在180～230 mm，風口吹出氣流與風口上下、左右邊界的夾角為10°；前風擋除霜風口布置總長度不小于前風擋Y向長度的2/3，且風口出風角度上下可調節(jié)[6]。

側除霜風口可根據除霜區(qū)域大小及儀表臺空間限制可布置圓形風口，風口吹風方向盡量覆蓋外后視鏡在側窗的投影區(qū)域。

2 風口CFD除霜仿真分析

除霜風口設計及布置完成后，要進行計算流體力學（CFD）分析，以檢查除霜系統(tǒng)性能是否滿足參考國標而規(guī)定的除霜要求。若不符合要求，則需要對設計進行優(yōu)化，再次進行仿真分析直到符合要求為止。這種方式能節(jié)省成本及開發(fā)周期[8-11]。

2.1 CFD除霜分析仿真模型

1）為節(jié)省計算資源及時間，本文應用CATIA軟件建立客車除霜分析模型，包括簡易儀表板、出風口、前風擋玻璃、簡易封閉駕駛艙，并設計進口位置和出口位置等；利用Hypermesh軟件對模型進行網格劃分，其中網格總數為30萬個，區(qū)域最大網格尺寸為20 mm，區(qū)域最小網格尺寸為5 mm，并對前風擋玻璃A/A′/B區(qū)域范圍以內進行網格加密以保證更準確模擬分析，如圖3所示。

圖3 簡易三維模型及網格劃分

2）輸入分析使用的邊界條件。根據市場上已有的除霜器運行參數，設定12 m客車除霜風口進口條件為：流量1 200 m3/h；除霜氣流出口條件為：環(huán)境大氣壓（1個大氣壓）。

3）利用CFD軟件對簡易模型進行除霜分析。輸入進口流量及出口壓力數值，設置除霜模擬時間為45min，經過計算得到前風擋玻璃除霜CFD分析結果如圖4所示。

圖4 45 min內除霜分析結果云圖

2.2 CFD除霜分析結果

從圖4可以看出，除霜開始10 min后前風擋A區(qū)域及A′區(qū)域左右上角位置尚有30%面積未完成除霜，這是由于前期設計除霜器布置在汽車儀表板中間位置，且中間通風管路相比兩端較短，中間風口會優(yōu)先吹出溫度較高、風速較大的氣流；因此會造成前風擋玻璃中間部位除霜程度大于兩端位置；隨除霜時間不斷延長后，我們得到40 min后A區(qū)域及A′區(qū)域98%基本完成除霜，B區(qū)域已有95%完成除霜；根據本文規(guī)定的除霜要求判定此客車除霜性能通過，客車的除霜風口設計及布置合格。

3 總結

客車前風擋除霜效果不僅取決于除霜風口布置及設計，還取決于除霜器系統(tǒng)的功能，因此需與電器工程師共同分析并確認。另外，結合運用CFD分析手段模擬分析除霜效果對指導客車除霜設計及改進優(yōu)化具有重要意義。

[1]全國汽車標準化技術委員會.汽車風窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗方法：GB 11555-2009[S].北京：中國標準出版社，2009：9.

[2]全國汽車標準化技術委員會：電動汽車風窗玻璃除霜除霧系統(tǒng)的性能要求及試驗方法：GB/T 24552-2009[S].北京：中國標準出版社，2009：10.

[3]劉杰，劉繼蘭.客車采暖與前風窗玻璃除霜系統(tǒng)的設計[J].客車技術與研究，2000，22（1）：17-18.

[4]扶原放，張曉斌.某輕型客車除霜性能優(yōu)化：2014中國汽車工程學會年會論文集[C].北京：北京理工大學出版社，2014：1486-1489.

[5]王應奇，俞立新.客車車廂冬季除霜除濕的分析與計算[J].客車技術與研究，2010，32（6）：31-33.

[6]俞立新，柴浩.高寒地區(qū)客車前風窗玻璃除霜分析及改進[J].客車技術與研究，2008，30（2）：35-37.

[7]吳建寧.高寒地區(qū)客車除霜系統(tǒng)設計關鍵事項[J].機電技術，2013（4）：111-112.

[8]吳金玉，陳江平.汽車空調除霜系統(tǒng)的CFD研究及優(yōu)化：上海市制冷學會2007年學術年會論文集[C].2007.

[9]李智，陳釗，周俊.汽車風擋玻璃除霜性能的CFD優(yōu)化設計[J].北京汽車，2011（3）：23-26.

[10]張海英.某車型空調系統(tǒng)的研究與分析[D].長春：吉林大學，2011.

[11]孔祥梅，韓艷美.基于CFD分析的汽車除霜風道優(yōu)化設計[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014（13）：55-56.

修改稿日期：2017-03-28

Design Layoutand CFD Simulation ofa Coach Defrosting Wind Outlets

Zhang Dawei,Lin Wei,LiJinlei,Yang Qingru
（Shandong YiXing Electric Vehicle Co.,Ltd,Linyi276000,China)

The authors introduce the attention items ofdefrosting wind outlets for a of M3coach,emphatically analyze the ascertainment ofthe defrosting target area,the layoutofthe defrosting wind outlets and the design of the blowing wind direction,expound the steps of CFD defrosting simulation by the finite elementanalysis software,to provide a reference forlayoutdesign ofthe defrosting wind outlets for M3type coaches.

coach defrosting；wind outlet；design layout;CFDsimulation

U463.83+8

B

1006-3331（2017）04-0043-03

張大偉（1989-），男，碩士；工程師；主要從事汽車內外飾的設計及研發(fā)工作。