基于STAR-CCM+的汽車除霜風(fēng)道CFD分析及優(yōu)化

王春海，劉永強(qiáng)

（保定長安客車制造有限公司，河北 定州 073000）

作為汽車在寒冷環(huán)境下行駛時(shí)對(duì)駕駛員視野、行車安全的必要保障，空調(diào)系統(tǒng)除霜除霧性能是整車開發(fā)中一項(xiàng)重要的指標(biāo)。

傳統(tǒng)的除霜風(fēng)道及出風(fēng)口設(shè)計(jì)主要依賴于經(jīng)驗(yàn)的積累。該方法的不足之處在于：對(duì)風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不甚了解；對(duì)氣流流動(dòng)情況不清楚；設(shè)計(jì)沒有理論依據(jù)，而且要借助大量的試驗(yàn)驗(yàn)證。導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長，試驗(yàn)費(fèi)用高，風(fēng)道設(shè)計(jì)復(fù)雜且可靠性差［1］。利用CFD分析技術(shù)，能夠明確研究方向，縮短研發(fā)周期，減少反復(fù)試驗(yàn)浪費(fèi)的人力物力財(cái)力。

作者以某型MPV的除霜風(fēng)道系統(tǒng)為例，通過對(duì)風(fēng)道內(nèi)部的速度場和壓力場進(jìn)行CFD（使用STAR-CCM+軟件）分析，分析風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)道風(fēng)量分配及風(fēng)窗表面流速的影響，提出了一些改進(jìn)方案并與原來設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。這對(duì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化除霜風(fēng)道，有著重要的工程價(jià)值和意義。

1 空調(diào)除霜系統(tǒng)介紹

空調(diào)系統(tǒng)除霜是利用HVAC噴射出的暖風(fēng)對(duì)玻璃進(jìn)行加熱，經(jīng)過熱量的傳遞，使玻璃表層的冰層逐漸熔化，從而達(dá)到恢復(fù)駕駛員視線，避免因視線受阻引起交通事故的目的。

中國汽車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB11555－2009中對(duì)除霜除霧系統(tǒng)的性能有著嚴(yán)格的規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)要求20 min時(shí)A區(qū)冰層除盡區(qū)域占A區(qū)面積的80%以上，25 min時(shí)A′區(qū)冰層除盡區(qū)域占A′區(qū)面積的80%，40 min時(shí)B區(qū)冰層除盡區(qū)域占B區(qū)面積的95%以上。且10 min除盡A區(qū)90%、B區(qū)80%的霧層。

2 理論基礎(chǔ)

風(fēng)道系統(tǒng)的CFD分析基于質(zhì)量、動(dòng)能、能量守恒的3個(gè)基本傳遞方程。對(duì)于處于湍流模式下的不可壓縮性流體采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動(dòng)能k和擴(kuò)散率ε。k方程是個(gè)精確方程，ε方程是由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程［2］。

湍流動(dòng)能k輸運(yùn)方程：

湍流耗散率ε輸運(yùn)方程：

式中：Gk——由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb——由浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM——可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1z、C2z、C3z——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk、σz——與湍流能k和耗散率對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk、Sz——用戶定義的源項(xiàng)。

3 原始模型分析

3.1 網(wǎng)格劃分

提取除霜風(fēng)道系統(tǒng)的流體計(jì)算區(qū)域，并對(duì)乘員艙的內(nèi)CAS模型進(jìn)行必要的簡化處理，最終形成封閉的流體區(qū)域，如圖1所示。

圖1 流體區(qū)域模型

在hypermesh里生成三角形面網(wǎng)格，再利用STAR-CCM+進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，采用多面體網(wǎng)格模型，并對(duì)風(fēng)道、前風(fēng)擋玻璃、側(cè)風(fēng)窗、格柵附近進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。

3.2 邊界條件

流體介質(zhì)為空氣，采用穩(wěn)態(tài)CFD分析，進(jìn)口為質(zhì)量流量進(jìn)口，流量為0.1361 kg／s （400 m3／h），進(jìn)口流量為實(shí)測值；出口為壓力出口，0 Pa。

3.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

除霜除霧性能主要從前擋和側(cè)窗近壁氣流速度分布情況直觀反映，因此需重點(diǎn)關(guān)注這兩個(gè)量，優(yōu)良的風(fēng)量分配能夠同時(shí)確保前除霜和側(cè)除霜都達(dá)到理想的效果，同時(shí)管路的壓力損失過大會(huì)致使總風(fēng)量下降，影響實(shí)車除霜除霧性能，所以壓損應(yīng)控制在合理范圍。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)確定，風(fēng)窗玻璃氣流速度分布及風(fēng)量分配的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.4 原始模型分析結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，原始模型的前擋風(fēng)玻璃的氣流速度分布見表2，分風(fēng)比例見表3，除霜系統(tǒng)壓損見表4。

表2 風(fēng)窗氣流速度分布表

表3 出風(fēng)口分風(fēng)比例

表4 除霜系統(tǒng)壓損

從表2可以看出，A區(qū)、A′區(qū)、B區(qū)的氣流速度分布滿足目標(biāo)值，但L區(qū)、R區(qū)氣流速度分布不滿足目標(biāo)值，且相差較多；從表3看出，分風(fēng)比例方面，中右出風(fēng)口分風(fēng)略高于目標(biāo)值，其余出風(fēng)口分風(fēng)比例滿足目標(biāo)值；除霜系統(tǒng)壓損滿足目標(biāo)值。

左、右側(cè)風(fēng)窗玻璃表面氣流速度分布如圖2所示。從圖2看出，左右側(cè)風(fēng)窗氣流落點(diǎn)較高，導(dǎo)致L區(qū)和R區(qū)的氣流速度較低。

圖2 左右兩側(cè)風(fēng)窗玻璃氣流速度分布圖

3.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)CFD分析

鑒于以上分析結(jié)果，在原風(fēng)道基礎(chǔ)上，提出一些優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1）如圖3所示，將除霜風(fēng)道分岔處向副駕駛方向移動(dòng)，并提前分岔，目的是增加中左和左側(cè)窗風(fēng)口出風(fēng)量。

圖3 除霜風(fēng)道改進(jìn)前后對(duì)比圖

圖4 左側(cè)側(cè)除霜風(fēng)道改進(jìn)前后對(duì)比圖

2）如圖4所示，將左側(cè)側(cè)除霜風(fēng)道的弧度變小，并改變出風(fēng)口格柵的角度，目的是改變?cè)摮鲲L(fēng)口氣流的落點(diǎn)，使其落在L區(qū)。右側(cè)側(cè)除霜風(fēng)道改進(jìn)方法與此相同，如圖5所示。

圖5 右側(cè)側(cè)除霜風(fēng)道改進(jìn)前后對(duì)比圖

改進(jìn)后的風(fēng)道風(fēng)窗表面速度分布、分風(fēng)比例見表5、表6。

表5 風(fēng)窗表面速度分布

表6 分風(fēng)比例

通過表5、表6可以看出，優(yōu)化后模型的左右側(cè)風(fēng)窗氣流速度分布有大幅度改善，達(dá)到了目標(biāo)值；中右出風(fēng)口的分風(fēng)比例由稍高于目標(biāo)值降到了目標(biāo)值范圍內(nèi)，達(dá)到了要求。

改進(jìn)模型的左、右側(cè)風(fēng)窗氣流速度分布如圖6所示。

圖6 改進(jìn)模型左右側(cè)風(fēng)窗氣流速度分布

通過圖6看出，L區(qū)、R區(qū)的氣流速度全部達(dá)到2 m／s，左右側(cè)出風(fēng)口的氣流都落在了L區(qū)和R區(qū)上，有利于除霜除霧。

4 結(jié)論

通過對(duì)某車型除霜系統(tǒng)進(jìn)行CFD分析，得到以下結(jié)論。

1）對(duì)除霜系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD分析，能夠得到風(fēng)窗表面氣流速度分布及各風(fēng)口分風(fēng)比例，有利于評(píng)估和改進(jìn)除霜性能。

2）通過改變側(cè)除霜風(fēng)道的走向和格柵的形狀，能夠明顯改變氣流在側(cè)風(fēng)窗上的落點(diǎn)，從而改善除霜性能。

3）通過改變中央風(fēng)道分岔處的位置，能夠改變左右側(cè)出風(fēng)口的分風(fēng)比例，從而改善除霜性能。