純電動(dòng)客車除霜分析

高 海

（安徽安凱汽車股份有限公司，安徽 合肥 230051）

前言

在寒冷的天氣，空氣和較冷的車窗表面相接觸，達(dá)到水汽過飽和狀態(tài)時(shí)水汽就會(huì)析出。如果溫度下降到零度以下，則多余的水汽就會(huì)在車窗上凝結(jié)成霜，阻礙駕駛員的視野，對(duì)行車安全產(chǎn)生危害。為保證行車安全和乘車舒適性，需要在客車的供暖系統(tǒng)中安裝除霜器。除霜器利用熱源對(duì)引入的車內(nèi)空氣（內(nèi)循環(huán)）或車外干空氣（外循環(huán)）進(jìn)行加熱，然后通過除霜風(fēng)道上的熱風(fēng)出口噴向玻璃內(nèi)表面形成熱風(fēng)幕，基于射流沖擊換熱原理加熱玻璃內(nèi)表面，通過熱傳導(dǎo)融化玻璃外表面的霜層[1]。與轎車不同，純電動(dòng)客車的除霜系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，并采用電加熱的方式進(jìn)行除霜，因此提高除霜效率有助于提高冬季純電動(dòng)客車?yán)m(xù)航里程[2]。本文采用CFD軟件對(duì)10 米純電動(dòng)公交車進(jìn)行除霜分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

基于CFD 的除霜分析首先需要保證空氣域是一個(gè)單連通的封閉區(qū)域，在前處理軟件中將三維模型進(jìn)行封閉處理。客車車身較長，但一般不選取全部車長作為計(jì)算域，這樣可以減少計(jì)算時(shí)間；同時(shí)計(jì)算域的長度不能太短，以免影響計(jì)算精度。在此基礎(chǔ)上，忽略一些對(duì)除霜影響不大的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實(shí)車具體尺寸，建立簡化模型。本文所用單連通的模型如圖1 所示，網(wǎng)格模型參數(shù)如表1 所示。

圖1 簡化后的模型

2 邊界條件設(shè)置

本文采用瞬態(tài)分析，選用儀表臺(tái)除霜出風(fēng)口作為速度入口，給定速度與溫度，出口采用壓力出口，大小為一個(gè)大氣壓[3]。由于客車內(nèi)部空氣與玻璃內(nèi)表面具有直接耦合的傳熱關(guān)系，屬于流固耦合換熱，所以不需要單獨(dú)設(shè)置邊界條件，其余固體表面可設(shè)置為絕熱條件。為滿足安全駕駛要求，標(biāo)準(zhǔn)[4]要求實(shí)驗(yàn)開始20 分鐘后，駕駛員一側(cè)玻璃外表面80%完成除霜，故將瞬態(tài)分析時(shí)間設(shè)為1200s，時(shí)間步長設(shè)為1s，每100s 輸出一張擋風(fēng)玻璃外表面溫度分布圖[5-6]。

表1 網(wǎng)格模型參數(shù)

3 除霜分析及優(yōu)化

3.1 出風(fēng)口結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖2 所示，該款電動(dòng)公交車儀表臺(tái)均勻布置12 個(gè)長條形常開出風(fēng)口，風(fēng)口斜向向前。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，所以出風(fēng)口風(fēng)速均設(shè)為7m/s，環(huán)境溫度和固體溫度設(shè)為零下20 度。

圖2 儀表臺(tái)原始結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 新型出風(fēng)口結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 出風(fēng)口改進(jìn)前后除霜效果云圖

當(dāng)熱風(fēng)流量一定時(shí)，設(shè)計(jì)更加細(xì)長的出風(fēng)口，可增大出風(fēng)口流速，根據(jù)原始設(shè)計(jì)的出風(fēng)口面積，新的出風(fēng)口結(jié)構(gòu)和數(shù)量如圖3 所示。通過計(jì)算得到前擋風(fēng)玻璃除霜CFD 分析結(jié) 構(gòu)如圖4 所示，比較20 分鐘后除霜面積可知，新型出風(fēng)口結(jié)構(gòu)更有利于提高除霜效率。

3.2 出風(fēng)口出風(fēng)角度優(yōu)化

由文獻(xiàn)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，提高出風(fēng)口與水平面夾角，即減小碰撞角度有助于提高除霜效率，同時(shí)該車型出風(fēng)口與水平面夾角不宜提升太高，以免出風(fēng)口與玻璃內(nèi)表面碰撞點(diǎn)距離太遠(yuǎn)，降低除霜效率，綜上，本文選取與水平面夾角為60度、72 度、80 度，三種條件下前擋風(fēng)玻璃除霜CFD 分析結(jié)果如圖5 所示，比較20 分后除霜面積可知，水平面夾角設(shè)置為72 度時(shí)，更有利于提高除霜效率。

圖5 不同出風(fēng)口角度除霜效果云圖

4 結(jié)論

與通過環(huán)境倉除霜實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)設(shè)計(jì)相比，本文采用仿真模擬的方法，節(jié)省了時(shí)間和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的成本。同時(shí)通過改進(jìn)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)和優(yōu)化出風(fēng)口角度，提高了除霜效率，達(dá)到了節(jié)能的目的。