基于CFD的汽車空調(diào)除霜性能分析及優(yōu)化

王凱晨，王淑坤

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022 )

隨著人們生活水平的提高，在購(gòu)買汽車時(shí)都有了更多的選擇，為了讓更多的消費(fèi)者選擇自己滿意的產(chǎn)品，各大汽車企業(yè)都在不斷的提高自身產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力.而在冬季冰雪交加的東北地區(qū)，擋風(fēng)玻璃易結(jié)霜的問(wèn)題始終困擾著人們，這些厚度達(dá)到0.5～1 mm的霜層會(huì)將汽車前擋風(fēng)玻璃的視野全部擋住，使駕駛員觀察不到前方的情況，導(dǎo)致無(wú)法正常的駕駛車輛，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)導(dǎo)致交通事故的發(fā)生.因此，關(guān)系到汽車的舒適性與安全性的除霜系統(tǒng)的能力便成為了消費(fèi)者衡量車輛性能的一個(gè)重要指標(biāo)[1].

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，通?；谝酝脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，之后制造實(shí)物模型進(jìn)行環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，這樣實(shí)驗(yàn)測(cè)試出的結(jié)果可信性高.但是依賴經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)無(wú)法保證一次成型，往往需要多次實(shí)驗(yàn)，這就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的周期變得很長(zhǎng)，而且會(huì)耗費(fèi)大量的資金，有時(shí)還會(huì)受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響.而CFD技術(shù)的應(yīng)用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足，將計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)與除霜風(fēng)道的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)合，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)模擬氣流在除霜系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)數(shù)值分析的方法得到車廂內(nèi)部溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布，模擬霜層瞬態(tài)變化情況，從中發(fā)現(xiàn)影響除霜效果的各個(gè)因素并進(jìn)行優(yōu)化.由于運(yùn)用CFD技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，幾乎所有的實(shí)驗(yàn)都在計(jì)算機(jī)中完成，這樣會(huì)節(jié)省大量的時(shí)間和金錢，因此許多汽車公司和相關(guān)機(jī)構(gòu)的學(xué)者在此方面都大量的投入人力物力.

本文采用CFD方法，建立空調(diào)風(fēng)道模型，對(duì)穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)指導(dǎo)相關(guān)的優(yōu)化，達(dá)到提高空調(diào)除霜性能的目的.

1 空調(diào)除霜風(fēng)道CFD計(jì)算數(shù)學(xué)模型

空調(diào)風(fēng)道的CFD計(jì)算過(guò)程中主要關(guān)注風(fēng)道內(nèi)部冷流場(chǎng)信息，計(jì)算過(guò)程中不考慮空氣壓縮性，其控制方程及湍流模型如下[2]：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

x、y和z三個(gè)方向的動(dòng)量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是典型的兩方程湍流模型，該模型是目前使用最廣泛的湍流模型.在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε為兩個(gè)基本未知量，與之相對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為：

(5)

(6)

湍動(dòng)粘度μt可表示成k和ε的函數(shù)，即：

(7)

方程中的五個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)分別為：Cμ=0.09，σk=1.00，σε=1.30，Cε1=1.44，Cε2=1.92.

2 汽車除霜系統(tǒng)仿真模型的建立

2.1 汽車除霜系統(tǒng)模型建立

汽車除霜系統(tǒng)主要由暖通空調(diào)系統(tǒng)與除霜風(fēng)道兩部分組成，由暖通空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生暖風(fēng)，之后由除霜風(fēng)道將暖風(fēng)導(dǎo)流并噴射向車窗.

暖通空調(diào)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱HVAC(Heating，Ventilation and Air Conditioning)，幾何模型如圖1所示.暖通空調(diào)吸入新鮮空氣并將其送進(jìn)熱交換機(jī)中，與熱源進(jìn)行熱交換獲得熱量，使空氣的溫度提高，之后將加熱后的空氣送入空調(diào)風(fēng)道中[3,4].

除霜風(fēng)道則是連接HVAC與車廂內(nèi)部的通道，幾何模型如圖2所示.

圖1 暖通空調(diào)系統(tǒng)模型

在除霜風(fēng)道的各部分中，主除霜風(fēng)道與兩側(cè)除霜風(fēng)道組成導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)并分流暖風(fēng)到達(dá)各個(gè)出風(fēng)口，之后由出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)決定暖風(fēng)射流的前進(jìn)方向[5].除霜風(fēng)道的結(jié)構(gòu)會(huì)影響到各出風(fēng)口的風(fēng)量分配比例以及從進(jìn)入除霜風(fēng)道到由出風(fēng)口射出這個(gè)過(guò)程中壓力的損失情況.本次實(shí)驗(yàn)選用的除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)來(lái)自某公司的某款車型，這款車型的除霜系統(tǒng)效果未能達(dá)標(biāo)，需要進(jìn)行改進(jìn).

圖2 除霜風(fēng)道模型

2.2 導(dǎo)入模型與網(wǎng)格劃分

首先導(dǎo)入HVAC模型，并將暖通空調(diào)的暖風(fēng)排出口設(shè)定為入口，如圖1所示.之后導(dǎo)入除霜風(fēng)道部分模型，并將其入風(fēng)口與暖通空調(diào)暖風(fēng)排出口組合.最后導(dǎo)入汽車車廂模型，如圖3所示.所導(dǎo)入的汽車車廂模型與完整汽車相比，去掉了車頭、車尾等部分，只保留車廂內(nèi)部的結(jié)構(gòu).由于車廂內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)流體流動(dòng)情況產(chǎn)生影響，所以在車廂內(nèi)部的座椅、中控、方向盤、后視鏡等結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)在模型中，保證車廂內(nèi)部細(xì)節(jié)與實(shí)車相同.另外設(shè)置車廂后部后備箱隔板為出口.

圖3 汽車車廂模型

之后應(yīng)用STAR-CCM+進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用多面體網(wǎng)格生成器，最后生成網(wǎng)格如圖4所示，共有網(wǎng)格7 752 242個(gè).

圖4 模型生成網(wǎng)格

2.3 邊界條件設(shè)置

物理模型使用K-Epsilon湍流模型，設(shè)定空氣為不可壓縮氣體，其動(dòng)力粘度1.855 08e-5Pa-s，密度1.184 15 kg/m3.同時(shí)設(shè)定入口邊界條件為質(zhì)量流量進(jìn)口，質(zhì)量流率為0.108 5 kg/s，出口邊界條件為壓力出口，設(shè)定其它邊界為壁面邊界.

2.4 除霜系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

除霜風(fēng)道是空調(diào)機(jī)與車廂內(nèi)部溝通的通道，熱氣通過(guò)除霜風(fēng)道噴射到擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)表面，將熱量傳導(dǎo)到擋風(fēng)玻璃上融化擋風(fēng)玻璃外表面的霜層，同時(shí)也能防止擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面發(fā)生結(jié)霧現(xiàn)象.除霜系統(tǒng)的除霜效率能否達(dá)標(biāo)，關(guān)鍵點(diǎn)在于除霜風(fēng)道和出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)能否使發(fā)射出的噴射氣流到達(dá)合適的位置和方向.同時(shí)除霜系統(tǒng)產(chǎn)生的氣流必須有足夠的動(dòng)量和速度，保證氣流能夠遍布整個(gè)前擋風(fēng)玻璃和側(cè)玻璃的內(nèi)表面.在本次實(shí)驗(yàn)中對(duì)設(shè)計(jì)方案提出的要求是：前風(fēng)窗A區(qū)、B區(qū)范圍內(nèi)玻璃內(nèi)表面附近風(fēng)速大于2 m/s，A區(qū)風(fēng)速大于

2 m/s區(qū)域應(yīng)大于A′區(qū)風(fēng)速大于2 m/s區(qū)域；C區(qū)、C`區(qū)風(fēng)速應(yīng)大于1.5 m/s[6].

3 除霜仿真模擬

對(duì)方案進(jìn)行CFD分析，得到各出風(fēng)口風(fēng)量分配見(jiàn)表1，前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布見(jiàn)圖5，左、右車窗風(fēng)速分布見(jiàn)圖7.

表1 各出風(fēng)口風(fēng)量分配

圖6 左、右側(cè)窗玻璃風(fēng)速分布(僅顯示≥1 m/s區(qū)域)

綜合圖、表進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，雖然除霜系統(tǒng)在前擋風(fēng)玻璃表面的風(fēng)速分布完全符合設(shè)計(jì)要求，但中央左、右風(fēng)道所占出風(fēng)比例過(guò)大，使得左、右側(cè)除霜風(fēng)道風(fēng)量幾乎沒(méi)有.這就導(dǎo)致左、右側(cè)窗表面風(fēng)速過(guò)低，沒(méi)有任何一個(gè)位置的風(fēng)速超過(guò)2 m/s，與設(shè)計(jì)要求相差甚遠(yuǎn).而且左、右側(cè)車窗表面氣流中心區(qū)域都在需要重點(diǎn)除霜的C、C′區(qū)域下方，說(shuō)明左、右側(cè)除霜風(fēng)道出風(fēng)口射出的射流方向產(chǎn)生了問(wèn)題.

上述分析顯示，現(xiàn)有的除霜風(fēng)道不符合設(shè)計(jì)要求，除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖7所示，綜合參考文獻(xiàn)[7-11]和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)除霜系統(tǒng)提出如下優(yōu)化策略：

(1) 計(jì)劃修改兩側(cè)除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)，加大側(cè)除霜風(fēng)道末端橫截面面積并調(diào)整側(cè)除霜風(fēng)道出風(fēng)口葉片角度，旨在對(duì)兩側(cè)玻璃表面風(fēng)速分布進(jìn)行優(yōu)化.

(2) 計(jì)劃對(duì)主除霜風(fēng)道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，加大中央左側(cè)風(fēng)道出風(fēng)比例，旨在平衡主除霜風(fēng)道左右出風(fēng)口的出風(fēng)比例.

優(yōu)化后的除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖8所示.

圖7 整體風(fēng)道結(jié)構(gòu)

圖8 優(yōu)化后整體風(fēng)道結(jié)構(gòu)

對(duì)優(yōu)化后的除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到各出風(fēng)口風(fēng)量分配見(jiàn)表2，前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布見(jiàn)圖9，左、右車窗風(fēng)速分布見(jiàn)圖10.

表2 優(yōu)化后各出風(fēng)口風(fēng)量分配

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行優(yōu)化之后，在前擋風(fēng)玻璃上，A區(qū)、A`區(qū)整體風(fēng)速在2.8 m/s以上，B區(qū)大部分區(qū)域風(fēng)速在2.8 m/s以上，平均風(fēng)速達(dá)到設(shè)計(jì)要求.左、右側(cè)窗玻璃上的氣流中心區(qū)域都在觀察后視鏡視野區(qū)域之內(nèi).左側(cè)窗玻璃表面有很大一部分區(qū)域風(fēng)速達(dá)到2.2 m/s以上，氣流中心區(qū)域面積達(dá)到車窗大半部分，并且風(fēng)速達(dá)到3 m/s，氣流中心區(qū)域完全覆蓋了觀察后視鏡視野范圍；右側(cè)窗玻璃表面同樣有很大一部分區(qū)域風(fēng)速達(dá)到2.2 m/s以上，氣流中心區(qū)域面積達(dá)到車窗大半部分，并且風(fēng)速達(dá)到3 m/s，同樣氣流中心區(qū)域完全覆蓋了觀察后視鏡視野范圍.總體來(lái)說(shuō)，在優(yōu)化之后除霜風(fēng)道已經(jīng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

圖9 優(yōu)化后前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布(僅顯示≥1 m/s區(qū)域)

圖10 優(yōu)化后左、右側(cè)窗玻璃風(fēng)速分布(僅顯示≥1 m/s區(qū)域)

4 結(jié) 論

本文通過(guò)CFD系列軟件之一STAR-CCM+，建立汽車空調(diào)除霜風(fēng)道模型并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將汽車空調(diào)除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)與經(jīng)過(guò)數(shù)值分析得出的擋風(fēng)玻璃表面速度分布云圖相對(duì)應(yīng)，綜合兩方面進(jìn)行分析，最終得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和理想的風(fēng)量分配比例，并得出如下結(jié)論.

(1)當(dāng)側(cè)除霜風(fēng)道所獲風(fēng)量分配比例過(guò)低時(shí)，擴(kuò)大側(cè)除霜風(fēng)道截面可以使更多風(fēng)量導(dǎo)流向側(cè)除霜風(fēng)道.

(2)主除霜風(fēng)道中央導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)中央左、右風(fēng)道截面積的分配會(huì)影響到中央左、右風(fēng)道的風(fēng)量分配.

(3)側(cè)除霜風(fēng)道射出的射流是否能準(zhǔn)確抵達(dá)側(cè)窗最需要除霜的區(qū)域，重點(diǎn)在于側(cè)除霜風(fēng)道出風(fēng)口處的葉片是否調(diào)整到正確的角度.

[1] 朱娟娟，蘇秀平，陳江平.汽車空調(diào)除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].汽車工程，2004(26):6-10.

[2] R.Rahimi,D.Abbaspour,Determination of pressure drop in wire mesh mist eliminator by CFD[J].Chemical Engineering and Processing,2008(47):1504-1508.

[3] 張蕾.汽車空調(diào)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4] 陳佳.雙蒸發(fā)器汽車空調(diào)HVAC總成及除霜風(fēng)道的流動(dòng)分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[5] 鐘凌.淺析汽車空調(diào)除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)[J].研究與開(kāi)發(fā)，2015(3):49-52.

[6] GB 11555-2009.汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法[S].

[7] 陳楊華，馮英.某型汽車空調(diào)風(fēng)道的CFD數(shù)值模擬計(jì)算應(yīng)用[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,36(3):282-285.

[8] 陶其銘，許志寶，夏廣飛.汽車空調(diào)除霜風(fēng)道分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,33(4):498-500.

[9] 郭軍，許睿，梁慶欽.汽車除霜風(fēng)管的設(shè)計(jì)方法[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014(21):24-26.

[10] 周俊，秦剛.汽車空調(diào)除霜風(fēng)道的CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2011(24):21-23.

[11] 楊濤，范久臣.基于有限元法的太陽(yáng)能光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2016(3):42-47.