基于CFD的汽車側(cè)窗除霜除霧優(yōu)化設(shè)計

方月嬌 Fang Yuejiao

基于CFD的汽車側(cè)窗除霜除霧優(yōu)化設(shè)計

方月嬌
Fang Yuejiao

（江西昌河汽車有限責任公司 技術(shù)中心，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

汽車空調(diào)的除霜除霧性能對汽車的駕駛安全有重要意義。針對市場反饋某微型貨車前門側(cè)窗除霜除霧效果差，采用Fluent軟件對該微型貨車的除霜除霧性能進行CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學）數(shù)值模擬分析，計算風管內(nèi)氣流矢量和側(cè)窗玻璃上氣流速度分布，獲得前門側(cè)窗除霜除霧效果差的原因，并對其進行優(yōu)化設(shè)計，對優(yōu)化前后前門側(cè)窗除霜除霧效果進行實車驗證試驗，試驗結(jié)果與CFD分析一致，表明CFD分析方法的可靠性，為汽車空調(diào)設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

微型貨車；除霜除霧；CFD；優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

冬天氣溫下降戶外汽車玻璃會結(jié)冰霜，特別是在我國北方地區(qū)，汽車玻璃上的霜凍嚴重影響駕駛員的視野，對行車安全造成危害；因此提高汽車除霜除霧的性能是汽車設(shè)計開發(fā)階段的一項重要工作。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計主要依賴經(jīng)驗，需要反復(fù)試制和測試，增加了車輛研發(fā)成本，延長研發(fā)時間。由于CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學）仿真分析技術(shù)的快速發(fā)展，CFD已經(jīng)成為汽車除霜除霧性能設(shè)計與優(yōu)化中的常用工具，可有效縮短車型研發(fā)周期并降低設(shè)計成本[1-2]。

以某微型貨車用戶反饋的側(cè)窗除霜除霧效果差問題為出發(fā)點，利用ANSYS Fluent對該車型除霜除霧性能進行數(shù)值模擬分析，計算風管內(nèi)的氣流矢量和側(cè)窗玻璃上氣流速度分布，找出側(cè)窗除霜除霧性能差的原因，并對其進行優(yōu)化改進，實現(xiàn)側(cè)窗除霜除霧有效面積提升至90%以上的目的。

1 RNG k-e數(shù)學模型

在穩(wěn)態(tài)速度模型中流體為空氣，用2階離散方法來求解流場方程，RNG-模型對流線彎曲度較大的流動做了較好處理，控制方程為[3]

2 側(cè)窗除霜除霧CFD仿真分析

2.1 建立CFD分析模型

根據(jù)某車型的三維CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設(shè)計）實體模型，分別選擇儀表板、格柵、風道和車身的內(nèi)表面生成模擬空間。在應(yīng)用CFD數(shù)值模擬方法對汽車除霜除霧進行分析和研究時，為減少網(wǎng)格數(shù)目，節(jié)省計算時間，對車內(nèi)結(jié)構(gòu)進行了簡化，但對模擬的關(guān)鍵部件的細部結(jié)構(gòu)盡量保留?？紤]到車內(nèi)后座回流的空氣對風窗玻璃除霜除霧效果影響不明顯，因此不考慮車內(nèi)后部空間，截取一片側(cè)窗玻璃為邊界面構(gòu)建空腔模型進行分析，如圖1所示。由于左右風管結(jié)構(gòu)對稱，相比眼橢圓在左側(cè)窗投影，在右側(cè)窗投影更靠近A柱，對風向要求更高，故主要對右側(cè)窗進行分析，眼橢圓在左側(cè)窗投影差異對比如圖2所示，其中位置1、2為眼橢圓在左側(cè)窗投影，位置2、3為眼橢圓在右側(cè)窗投影。

圖1 側(cè)窗除霜除霧分析模型

圖2 眼橢圓在側(cè)窗上的投影對比

為節(jié)省計算時間，沒有考慮風機部分，僅對從側(cè)窗風管出口到儀表板送風口的部分進行研究。為了對風道內(nèi)的空氣流動進行計算，對幾何模型作如下假設(shè)[4-5]：

（1）空氣為不可壓縮流體，且密度為常數(shù)；

（2）風道系統(tǒng)密封良好，除進風口和出風口外沒有空氣泄漏。

進行CFD模擬時，常采用的基本邊界條件包括：流動進口邊界、流動出口邊界、給定壓力邊界、壁面邊界、對稱邊界和周期（循環(huán)）邊界。

根據(jù)除霜除霧模型計算需要，選用速度進口邊界條件，用于定義進口的速度大小、方向等其他相關(guān)標量值。壓力出口邊界條件給定出口的靜壓（表壓）[6]，其與其他量設(shè)置不同，根據(jù)內(nèi)部流動計算結(jié)果給定，而其他量都是根據(jù)內(nèi)部流動外推出邊界。

2.2 后處理分析

風管內(nèi)的氣流速度矢量如圖3所示，右側(cè)窗的氣流速度分布如圖4所示。風管內(nèi)氣流在靠近格柵處的速度最高，風管內(nèi)不存在風速為0的區(qū)域，氣流沿著儀表板上的出風口向車廂內(nèi)吹。從圖4可以判斷駕駛員的眼橢圓（95%的眼橢圓）在右側(cè)窗上的投影，不是整個側(cè)窗中風速最高的區(qū)域，而且側(cè)窗上最高風速只有0.645 m/s，與經(jīng)驗值相比，風速偏低。

圖3 風管內(nèi)的氣流速度矢量圖

圖4 右側(cè)窗的氣流速度分布圖

右側(cè)窗的人眼橢圓中點縱向平面的氣流速度分布如圖5所示。從圖5可以判斷經(jīng)儀表板出風口處的氣流沒有按照設(shè)計要求吹向側(cè)窗指定區(qū)域，導致側(cè)窗人眼橢圓處風速偏低，除霜除霧效果不理想。

圖5 右側(cè)窗人眼橢圓中點縱向平面的氣流速度分布圖

2.3 優(yōu)化設(shè)計

從CFD分析的結(jié)果判斷，暖風并未均勻吹向人眼橢圓在側(cè)窗的投影區(qū)域，沒能滿足使駕駛員清楚觀察到后視鏡的要求，與用戶的反饋結(jié)果一致。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查、驗證和比較其他車型的結(jié)構(gòu)等方法，針對每個可能的原因進行分析，最終得出側(cè)窗除霜除霧改進方案，并分析改進方案的可實施性，見表1。

表1 改進方案以及改進方案的可實施性

考慮到該車型為量產(chǎn)車型，所以設(shè)定改進目標為改動成本最低，在不對儀表板等大型零部件進行變更的前提下，提升該車型的側(cè)窗除霜除霧效果，并將側(cè)窗的除霜除霧有效面積提升至90%以上（除霜除霧功能開啟10 min）。通過對改進方案的可實施性進行對比，根據(jù)設(shè)定的改進目標，確定以方案3作為最終優(yōu)化方案。方案中，導風片為左右對稱件，其結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示，增加導風片前、后的出風口結(jié)構(gòu)分別如圖6（b）、6（c）所示，導風片布置在儀表板出風口和風管之間，先將其與儀表板出風口進行安裝，再安裝風管。

增加導風片后風管內(nèi)氣流速度矢量如圖7所示，風管內(nèi)氣流在靠近格柵處的速度最高，氣流沿著儀表板上出風口吹向側(cè)窗玻璃，經(jīng)過方案3優(yōu)化設(shè)計后，最高風速由4.75 m/s提高至7.28 m/s。

（a）導風片結(jié)構(gòu)（b）安裝導風片前出風口結(jié)構(gòu)（c）安裝導風片后出風口結(jié)構(gòu)

圖7 優(yōu)化后風管內(nèi)的氣流速度矢量圖

優(yōu)化后右側(cè)窗的氣流速度分布如圖8所示。從圖8可以判斷，增加導風片后駕駛員的右眼橢圓在側(cè)窗上的投影成為整個側(cè)窗中風速最高的區(qū)域，而且側(cè)窗上的最高風速從 0.645 m/s提高到1.485 m/s，是優(yōu)化前的2.3倍，改善效果明顯。

圖8 優(yōu)化后右側(cè)窗的氣流速度分布圖

優(yōu)化后右側(cè)窗的人眼橢圓中點縱向平面的氣流速度分布如圖9所示。從圖9可知，經(jīng)儀表板出風口處的氣流在導風片的影響下，直接吹向人眼橢圓在側(cè)窗的投影區(qū)域。

圖9 優(yōu)化后右側(cè)窗眼橢圓中點縱向平面的氣流速度分布圖

3 實車驗證

為了驗證CFD分析的正確性與通用性，對車輛按照GB 11555—2009《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗方法》要求進行實車模擬試驗。試驗的兩臺車輛狀態(tài)分別為在產(chǎn)狀態(tài)和改進狀態(tài)，重點比較試驗開始8 min后的側(cè)窗除霜除霧效果，見表2。比較結(jié)果顯示，改進狀態(tài)車輛比在產(chǎn)狀態(tài)車輛除霜效果更優(yōu)，后視鏡視野區(qū)域的結(jié)霜基本清除干凈，如圖10、圖11所示。

表2 在產(chǎn)車與改進車側(cè)窗除霜除霧有效面積對比

圖10 駕駛員側(cè)除霜除霧效果

圖11 副駕駛員側(cè)除霜除霧效果

從圖10、圖11中可以看出，右側(cè)窗的除霜除霧效果更好，不排除左、右側(cè)風管的風量對除霜除霧效果的影響。

CFD計算結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合，表明利用ANSYS Fluent進行分析能準確地反映出車輛的除霜除霧效果，且采用方案3進行優(yōu)化滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

（1）運用ANSYS Fluent軟件對某微型貨車的除霜除霧效果進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果，提出了最佳的優(yōu)化方案，有效解決了側(cè)窗除霜除霧效果不佳的問題，并在實車上得到驗證。

（2）優(yōu)化方案3通過改變出風口處的風向，取得明顯除霜除霧效果。總的來說，影響側(cè)窗除霜除霧效果的因素不只與風向有關(guān)，還與暖風機性能有關(guān)，只有多方面結(jié)合，才可以真正提高側(cè)窗除霜除霧性能。

（3）模型質(zhì)量、網(wǎng)格大小會對計算的速度和精度產(chǎn)生一定影響，若為了體現(xiàn)整車的除霜除霧效果，應(yīng)建立更加完整的分析模型。后續(xù)將增加空調(diào)風口的風量分配、車內(nèi)結(jié)構(gòu)以及內(nèi)飾件等因素對除霜除霧效果影響的研究。

[1]鄧峰，谷正氣，楊易，等. 汽車前風窗玻璃除霜除霧數(shù)值模擬分析和研究[J]. 汽車工程，2009，31（2）：175-179，188.

[2]王福軍. 計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學出版社，2004：124-125.

[3]韓占忠，王敬，蘭小平. Fluent流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M]. 北京：北京理工大學出版社，2004：31-57.

[4]胡忠輝，杜雄飛，梁正偉. 某車型除霜性能優(yōu)化分析與驗證[J].北京汽車，2018（6）：24-26.

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[6]杜娟，趙海英. 某車型側(cè)除霜風道設(shè)計及優(yōu)化[J]. 中國汽車，2018（9）：57-60.

2019-04-11

U463.85+1：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.010

1002-4581（2019）04-0036-04