基于CFD除霜風道結構分析及優(yōu)化設計

董小杏

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基于CFD除霜風道結構分析及優(yōu)化設計

董小杏

（成都師范學院 物理與工程技術學院，四川 成都 611130）

采用了CFD方法，并進行網格劃分、邊界條件的設置。進行了除霜風道出口風量比例分析、除霜風道內壁表面壓強分布情況分析、風道內部流場速度流線分析以及風道內部速度矢量圖分析。從除霜風道風量分配來看，側后視鏡兩出口流量占風道總風量的24.38%，風量合理。從除霜風道速度矢量圖可以看出，出風口2、出風口3出口平面風量分配不均，影響前擋玻璃的除霜效果。建議在除霜風管內部增加導流板長度，使得出口平面的風量分布均勻。

除霜風道；CFD方法；風量比例；壓強分布

為減少交通事故，在設計除霜風道以及空調主機時性能時，必須滿足GB 11555－2009《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和實驗方法》[1]的要求或者更好。

本文通過CATIA對除霜風道及空調主機建模，再轉換成內表面數(shù)模并導入Hypermesh中，進行流場特性的CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）仿真分析。在對除霜風道空氣流動的數(shù)值模擬分析中，計算出除霜風道各出風口的風量分配比例，并給出內部空氣的流線吹拂情況?？梢愿鶕?jù)分析結果判斷其結構設計的合理性，從而達到優(yōu)化的效果。與傳統(tǒng)的設計計算和實驗方法相比，本文利用了Fluent軟件對除霜風道的CFD進行仿真分析，縮短了設計開發(fā)時間，大大降低了研發(fā)成本，提高了設計產品的質量。

1 數(shù)值計算模型

1.1 基本理論

在Fluent軟件中側窗玻璃和擋風玻璃的除霜模擬主要分兩個過程：一是計算整個除霜域內的流暢穩(wěn)態(tài)，另一個是計算除霜過程的瞬態(tài)。當熱氣流的熱量通過擋風玻璃的內側傳到外側的霜層時，其溫度會持續(xù)升高，當溫度達到熔點時，霜層開始慢慢融化，直到消失。除霜整個過程的能量守恒，其能量方程為[2-3]：

其動量方程為[2-3]：

式中：為對應坐標方向上的速度分量，m/s。

霜層初始能量的計算公式為：

式中：E為初始能量，J；ρ為霜層密度，kg/m3；為霜層厚度，mm；為邊界面積，mm2；為比熱容，J/(kg·K)；0為溫度，K；0為參考溫度，K；為潛熱，J/kg。

1.2 分析模型

（1）除霜風道及空調主機的模型分析說明

如圖1所示，根據(jù)三維模型建立數(shù)值模擬的計算空間（計算空間包括空調主機、除霜風道），進行流場特性的CFD仿真分析。

圖1 除霜風道及空調主機三維模型

對除霜風道進行空氣流動的數(shù)值模擬分析，計算除霜風道各出風口的風量分配比例，并給出內部空氣的流線吹拂情況。為進一步優(yōu)化除霜風道提供設計依據(jù)。

根據(jù)圖1，模擬除霜風道及空調內壁結構，在不影響計算精度的前提下，對模型進行一定的簡化處理。去除不必要的拐角以及小面，得到封閉的空間計算域。

（2）模型網格劃分

將CATIA中建立的除霜風道以及空調主機內表面模型導入Hypermesh中，進行模型前處理。需要縫合碎面，刪除不影響精度的結構，形成一個封閉的空間計算面域，包括出口格柵、空調主機內部擋板、風道內表面等。在Hypermesh中對封閉的面進行網格處理，網格尺寸按1.5～5 mm，經檢查沒有網格錯誤后直接生成計算所需的體網格。對重點關注區(qū)域，如除霜風道以及出口格柵進行局部加密，保證計算精度[4-6]。除霜風道及空調主機結構共生成200萬左右網格，如圖2所示。

圖2 除霜風道及空調主機網格

（3）邊界條件及求解參數(shù)

設空調主機的入口作為流量入口，進口風量為315 m3/h；出口設為壓力出口，為一個標準大氣壓；設空氣在風道入口處的速度為平均分布，其方向垂直于邊界，其風道出口處的背壓設為零。計算除霜風道內部的流場特性。其中固體區(qū)與流體區(qū)的物理特性參數(shù)（如固體密度、流體密度與粘度等）為常數(shù)，流動為穩(wěn)態(tài)流動（速度、壓力、溫度等物理量不隨時間變化）。不考慮重力和溫度的影響，計算介質為空氣，空氣密度＝1.225 kg/m3；空氣粘度＝1.7894×10-5N·s/m2；環(huán)境大氣壓力＝1.01×105Pa；溫度＝300 K[7-8]。

就除霜風道及空調主機的風道分析理論，其基礎是整個過程的能量守恒和動量守恒。而基于FLUENT中的CFD分析，其壓力與速度的耦合采用的是SIMPLE方法，該方法包含高雷諾數(shù)的湍流模式和壁面函數(shù)。

（4）分析流程

首先在CATIA中建立除霜風道以及空調主機的模型，再將模型導入Hypermesh，進行網格劃分。然后設置物理模型，進行邊界條件的設置，對除霜風道系統(tǒng)進行結果分析。根據(jù)結果判斷其結構設計是否符合要求，最終提出優(yōu)化方案和建議。如圖3所示。

圖3 分析流程

2 除霜風道CFD仿真及分析

基于流體力學的理論分析，風道流動過程能量的損失很大原因是渦流引起的，所以在設計除霜風道時，應盡可能避免小尺度與大尺度渦流的形成，那么就需要利用流體力學的理論分析對除霜風道的結構優(yōu)化設計，盡可能減少渦流帶來的能量消耗。其根本的設計方案，是對其結構進行流線型設計，在各個有拐角的結構中盡量圓滑過渡，并且可以優(yōu)化一些不必要的阻擋結構等[9-11]。

（1）除霜風道出口風量比例

如表1所示，出風口1和4，即側后視鏡兩出口流量，共占風道總風量的24.38%，理想值為15%～25%，風量合理。

表1 除霜風道出口風量比例

（2）除霜風道內壁表面壓強分布情況

由圖4可以看出，除霜風道壓強分布較為均勻，沒有明顯的低壓區(qū)。

圖4 壓強云圖

（3）風道內部流場速度流線圖

從圖5可以看出，風道內部流動較為順暢，無明顯漩渦產生。

圖5 整體速度流線圖

（4）風道內部速度矢量圖

如圖6所示，中間位置氣流流速較大，同時也可以看出，中間兩個出風口，即出風口2和3的風量分配不均，邊沿位置風速較低，影響前擋玻璃的除霜效果，建議增加風道內部導流板的長度，使得出口平面的風量分布均勻，如圖7所示。

圖6 導流板位置圖

圖7 優(yōu)化后的結果

3 結束語

本文在FLUENT軟件里完成除霜風道的分析，采用了CFD方法。從CATIA中建立除霜風道的三維模型，通過軟件的兼容性，將三維模型導入Fluent。選擇CFD模塊進行網格劃分、邊界條件的設置，并且進行除霜風道的CFD仿真分析。進行了除霜風道出口風量比例分析、除霜風道內壁表面壓強分布情況分析、風道內部流場速度流線分析以及風道內部速度矢量圖分析。分析結果表明：側后視鏡兩出口流量占風道總風量的24.38%，風量合理；出風口2和3出口平面風量分配不均，建議在除霜風管內 部增加導流板長度。

[1]GB 11555－2009，汽車風窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和實驗方法[S].

[2]李岳林. 工程熱力學與傳熱學[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[3]陳宏芳，杜建華. 高等工程熱力學[M]. 北京：清華大學出版社，2003.

[4]周俊波，劉洋. FLUENT 6.3流場分析從入門到精通[M]. 北京：機械工業(yè)，2012.

[5]于勇. FLUENT入門與進階教程[M]. 北京：北京理工大學，2008.

[6]唐家鵬. FLUENT 14.0超級學習手冊[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[7]張鳴遠，景思睿. 高等工程流體力學[M]. 西安：西安交通大學出版社，2012.

[8]陶其銘，許志寶，夏廣飛. 汽車空調除霜風道分析及結構優(yōu)化[J]. 合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2010，4（4）：498-500.

[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（3）：23-25.

[10]李華. 大客車除霜分析及系統(tǒng)優(yōu)化設計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013.

[11]操倩，陳黨輝，許明春. 基于CAE對某車型駕駛艙熱害的整改設計研究[J]. 機械，2015，9（4）：41-44.

Analysis and Optimization Design of Defrosting Duct Structure Based on CFD

DONG Xiaoxing

( College of Physics and Engineering, Chengdu Normal University, Chengdu 611130, China )

This paper adopts CFD methods and meshing, boundary conditions are set. By defrosting duct export volume ratio analysis, defrosting duct wall surface pressure distribution, the flow field inside the air duct speed streamline analysis, internal air duct velocity vector diagram analysis, the following conclusions can be drawn. From the point of defrosting duct airflow distribution, side rearview mirror two outlet flow accounted for 24.38% of the total air volume air duct, air volume is reasonable. As can be seen from the defrosting duct velocity vector diagram, outlet2 and outlet3 export flat are uneven distribution of air volume, it affects the front glass defrosting effect. It is suggested to increase the length of the guide plate within the defrosting duct, to make uniform air flow distribution in the plane of the export.

defrostingduct；CFD methods；air volume ratio；pressure distribution

TH122；U270.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.008

1006－0316 (2018) 12－0026－04

2018－06－04

董小杏（1986－），女，四川成都人，碩士，講師，主要研究方向為液壓技術。