汽車除霜性能仿真與試驗的對比分析

王丹 萬宗堯 陳雷

摘 要：基于STAR-CCM+仿真分析軟件對某車型進(jìn)行除霜穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)分析。驗證了加密域與首層邊界層厚度對穩(wěn)態(tài)除霜結(jié)果的影響。在穩(wěn)態(tài)分析合格的基礎(chǔ)上進(jìn)行瞬態(tài)分析，并與試驗值進(jìn)行對比，驗證了CFD仿真分析具有較高的精確度。

關(guān)鍵詞：除霜;加密域;首層邊界層厚度;仿真分析;試驗結(jié)果

Abstract： Defrost analysis for a certain vehicle of steady state and transient was made based on the software STAR-CCM+. The effects of encryption domain and the first thickness of boundary layer were verified. After the steady state analysis met the requirements， the transient analysis was carried out. The good agreement between the simulation and experiment indicates the accuracy of CFD simulation analysis.

前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及人民收入水平的不斷提升，汽車已經(jīng)成為絕大多數(shù)人們生活中不可或缺的工具，同時，人們對于汽車舒適性能的要求也越來越高。由于天氣原因?qū)е碌钠囷L(fēng)窗玻璃結(jié)霜的問題嚴(yán)重影響著乘車舒適性及行車安全。因而汽車除霜性能的仿真分析有著重要的意義，同時，如何提高除霜仿真分析的精度是其中關(guān)鍵所在。周會芳等人[1]從不同角度研究了主動除霜與被動除霜的原理及優(yōu)缺點，闡述了不同除霜方法的進(jìn)展;江漪瀾等人[2]將參數(shù)化方法應(yīng)用到除霜分析中，在優(yōu)化風(fēng)道的同時節(jié)省了大量時間;任崗等人[3]構(gòu)建了汽車空調(diào)除霜除霧測試系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)和圖像的采集有效提升了試驗精度;胡忠輝等人[4]對除霜風(fēng)口格柵進(jìn)行優(yōu)化，并將試驗結(jié)果與樣車階段試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了分析的準(zhǔn)確性。

本文使用CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真分析軟件STAR-CCM+對某純電動車型的除霜系統(tǒng)首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，改變加密域及首層邊界層厚度，記錄結(jié)果變化情況并進(jìn)行對比，從控制風(fēng)險角度出發(fā)，選取合適計算模型繼續(xù)進(jìn)行除霜瞬態(tài)分析。待樣車階段完成除霜試驗后，將仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，分析二者除霜效果的差異。

1 仿真分析模型

1.1 網(wǎng)格劃分

圖1、2分別為某純電動車視野區(qū)示意圖及除霜風(fēng)道幾何模型。其中，除霜風(fēng)道網(wǎng)格尺寸為2-3mm，出口格柵網(wǎng)格尺寸為1-2mm，前風(fēng)窗玻璃及側(cè)窗玻璃（圖1所示中的玻璃區(qū)域）網(wǎng)格尺寸為4mm，IP面板與風(fēng)道出口連接處網(wǎng)格尺寸為4-8mm，空調(diào)箱網(wǎng)格尺寸為4mm。其余乘員艙部分對結(jié)果影響較小，為減少計算時間，可適當(dāng)加大網(wǎng)格尺寸，保持在12-15mm。

完成面網(wǎng)格劃分后將其導(dǎo)入CFD仿真分析軟件Star- ccm+中，將面網(wǎng)格質(zhì)量全部調(diào)到0.2以上，網(wǎng)格接近面全部調(diào)整到0.1以上。多孔介質(zhì)區(qū)域為trim網(wǎng)格，無邊界層;其余為poly網(wǎng)格，邊界層3層。

1.2 邊界條件

圖3為除霜穩(wěn)態(tài)分析物理模型設(shè)置，其中氣體的密度和粘度取空氣在環(huán)境溫度-18℃（國標(biāo)[5]要求環(huán)境溫度為-18±3℃，一般試驗時環(huán)境艙的環(huán)境溫度設(shè)置為-18℃）下的值：其中密度為1.366kg/m3，粘度為1.622×10-5kg/m·s。入口為質(zhì)量流量入口，其值為試驗測得除霜風(fēng)道各出風(fēng)口流量總和，乘員艙出口為壓力出口，為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2 除霜穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果對比

首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，主要判斷加密域及首層邊界層對結(jié)果的影響，以各視野區(qū)高速氣流覆蓋面積百分比來對比不同設(shè)置條件下對結(jié)果的影響。分3個算例進(jìn)行，具體設(shè)置見表1。

加密域的具體設(shè)置為：整個空調(diào)箱體加密4mm，視野區(qū)周圍加密4mm。

設(shè)置完成后對各算例依次進(jìn)行計算，在計算的過程中，為更加直觀的觀察結(jié)果是否有較好的收斂性，可在計算前對除霜風(fēng)道出風(fēng)口流量進(jìn)行監(jiān)測，待其流量值穩(wěn)定后，認(rèn)為流場已收斂，取此時的計算結(jié)果進(jìn)行對比。各視野區(qū)高速氣流覆蓋面積百分比見表2所示。

2? 視野區(qū)高速氣流覆蓋面積百分比（%）

通過對比上表穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果，在首層邊界層厚度為0.6mm時，分析模型是否加密對于各視野區(qū)高速氣流覆蓋面積百分比影響較小，在此可以忽略，而加密后的分析模型相較與未加密的模型體網(wǎng)格增加300萬，因此，為了減少計算時間，分析模型無需進(jìn)行上述加密。

case3在case2的基礎(chǔ)上首層邊界層厚度由0.6mm增加至0.9mm，各視野區(qū)高速氣流覆蓋面積急劇增加，分析結(jié)果較理想，而前期仿真分析主要是為了降低風(fēng)險，因而，從風(fēng)險控制的角度來講，首層邊界層厚度設(shè)置為0.6mm。

通過上述對比分析，case2為最優(yōu)設(shè)置，下一步工作基于case2模型進(jìn)行除霜瞬態(tài)分析。

3 除霜瞬態(tài)仿真分析

除霜瞬態(tài)分析可以直觀的參照國標(biāo)[5]判斷除霜性能是否合格，便于在汽車開發(fā)階段發(fā)現(xiàn)問題，及時進(jìn)行優(yōu)化至合格，降低風(fēng)險，同時也是連接除霜穩(wěn)態(tài)計算和后期進(jìn)行試驗對比的關(guān)鍵步驟。一般根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)風(fēng)擋玻璃視野區(qū)高速氣流覆蓋面積達(dá)到一定值后，可判斷除霜性能已合格。若空調(diào)專業(yè)可提供風(fēng)道入口溫升曲線，則可在穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行瞬態(tài)分析，更加直接的觀察視野區(qū)霜層隨時間變化的融化面積。

瞬態(tài)除霜分析是在穩(wěn)態(tài)分析模型基礎(chǔ)上在玻璃外表面加入霜層，模擬霜層融冰過程，因而需要對玻璃進(jìn)行拉伸，拉伸層數(shù)為5層，拉伸率為1，拉伸厚度為玻璃實際厚度。環(huán)境溫度-18℃，計算時間為1800s，一個時間步長為1s，每個時間步長內(nèi)部迭代步數(shù)為8。為了便于與試驗進(jìn)行對比，除霜瞬態(tài)仿真分析模型中的溫度輸入及霜層厚度（國標(biāo)[5]規(guī)定為0.5mm）均采用試驗測試數(shù)據(jù)。除此之外，還需更改物理模型中的部分選項，具體設(shè)置如下圖4所示。

在穩(wěn)態(tài)分析模型基礎(chǔ)上設(shè)置完成后開始計算，圖5為主要時刻前風(fēng)窗玻璃霜層融化結(jié)果圖。表3為風(fēng)窗玻璃霜層融化率結(jié)果匯總。

仿真分析結(jié)果表明，15min時刻，B區(qū)底部霜層開始融化;20min時刻，A區(qū)及A區(qū)霜層融化90%左右;25min時刻，A區(qū)及A區(qū)霜層完全融化，B區(qū)霜層融化97%。整體除霜效果較好。

4 除霜性能試驗

除霜風(fēng)道數(shù)據(jù)在穩(wěn)態(tài)分析合格的基礎(chǔ)上進(jìn)行開模，并進(jìn)行除霜試驗。下圖6為在環(huán)境溫度-18℃的環(huán)境艙進(jìn)行的除霜試驗結(jié)果，表4為試驗與仿真分析結(jié)果對比。

試驗進(jìn)行15min，A區(qū)、A區(qū)及B區(qū)霜層融化區(qū)域大于仿真分析結(jié)果;試驗進(jìn)行20min，A區(qū)、A區(qū)及B區(qū)霜層融化區(qū)域與仿真分析結(jié)果基本一致;試驗進(jìn)行25min，前風(fēng)窗玻璃視野區(qū)霜層基本全部融化，與仿真分析結(jié)果一致。

通過對比除霜性能試驗與仿真分析結(jié)果的霜層融化趨勢及融化率可以看出，不同時刻，除霜瞬態(tài)分析與試驗結(jié)果基本一致，且試驗效果略優(yōu)于仿真分析，在滿足國標(biāo)的同時有利于風(fēng)險控制。

5 結(jié)論

本文首先對某電動車型進(jìn)行除霜穩(wěn)態(tài)分析，主要驗證了加密域及首層邊界層尺寸對結(jié)果的影響。仿真分析結(jié)果表明，空調(diào)箱及風(fēng)窗玻璃視野區(qū)附近是否加密對結(jié)果無影響;而當(dāng)首層邊界層由0.6mm增加至0.9mm后，視野區(qū)高速氣流覆蓋面積大幅度增加，不利于風(fēng)險控制。

在首層邊界層為0.6mm，空調(diào)箱及風(fēng)窗玻璃視野區(qū)附近未加密的穩(wěn)態(tài)計算模型上繼續(xù)進(jìn)行除霜瞬態(tài)分析，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，不同時刻，試驗與仿真分析結(jié)果的霜層融化趨勢基本一致，驗證了CFD仿真分析具有較高的精確度，可在汽車開發(fā)階段通過CFD仿真分析的方法進(jìn)行優(yōu)化來控制風(fēng)險，為整車開發(fā)提供一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 周會芳，臧潤清.除霜方法的研究及進(jìn)展[J].制冷技術(shù);2019， 47（12）： 78-84.

[2] 江漪瀾，馮偉，冷興灼.參數(shù)化方法在除霜分析中的應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù); 2019， （22）： 48-50.

[3] 任崗，寧紅.汽車空調(diào)除霜除霧性能測試方法研究[J].汽車實用技術(shù); 2019， （7）： 59-61.

[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.

[5] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GBT24552-2009.電動汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗要求及試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2009.