汽車除霜管道設(shè)計(jì)及分析

姚慶軍

(上汽大眾汽車有限公司,上海 201805)

當(dāng)汽車暴露在寒冷環(huán)境中時(shí),前風(fēng)窗玻璃表面上會(huì)結(jié)有較厚霜層.這些厚度達(dá)到0.5～1 mm的霜層會(huì)將汽車前擋風(fēng)玻璃的視野全部擋住,使駕駛員觀察不到前方情況,導(dǎo)致無法正常駕駛車輛,甚至引發(fā)交通事故[1].因此,設(shè)計(jì)性能良好的除霜系統(tǒng)對(duì)于汽車安全性具有重要意義.

目前汽車的通風(fēng)、除霜系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用“試錯(cuò)”和“先前經(jīng)驗(yàn)”等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,浪費(fèi)較多資源和時(shí)間[2-3].而新車型在研發(fā)初期采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法模擬分析汽車前風(fēng)窗玻璃的除霜性能,顯示流體在風(fēng)道中的流動(dòng)現(xiàn)象,對(duì)風(fēng)道流場(chǎng)進(jìn)行分析[4-5],通過改變除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)和氣流參數(shù)優(yōu)化汽車前風(fēng)窗玻璃的除霜性能,可避免盲目進(jìn)入試制階段所造成的浪費(fèi)[6].

本文以某轎車除霜管道為研究對(duì)象,首先,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11555—2009要求設(shè)計(jì)除霜管道,確定出風(fēng)口位置和方向;其次,根據(jù)除霜管道結(jié)構(gòu),利用CAD軟件建立三維模型;在此基礎(chǔ)上,建立除霜管道有限元模型,并對(duì)其進(jìn)行CFD分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)出風(fēng)口流量、速度的仿真;最后基于計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模型,分析除霜系統(tǒng)瞬態(tài)除霜性能.

1 除霜管道設(shè)計(jì)

參照《汽車風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能要求》以及《汽車通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,對(duì)除霜風(fēng)口位置及出風(fēng)方向進(jìn)行設(shè)計(jì)[7].前風(fēng)窗上除霜A區(qū)、A′區(qū)及B區(qū)如圖1所示.

圖1 除霜A區(qū)和B區(qū)Fig.1 Defrosting areas A and B

本次設(shè)計(jì)采用強(qiáng)制排風(fēng)型結(jié)構(gòu)的前除霜風(fēng)口結(jié)構(gòu)形式,根據(jù)《汽車通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,除霜開口的位置和方向可由以下方法確定:1) 建立最靠后的人體模型H點(diǎn);2) 建立95%人眼球區(qū)域的二維眼橢圓.

建立一個(gè)與二維眼橢圓下部相切,與水平方向成角α的平面.該平面在垂直截面的投影參考直線與擋風(fēng)玻璃在垂直截面中的交點(diǎn)來確定除霜器的氣流方向與擋風(fēng)玻璃的交點(diǎn).α大小由H點(diǎn)到地面的距離決定,具體關(guān)系見表1.

表1 H點(diǎn)到地面距離和α關(guān)系Table 1 Relationship of distance to ground of point H and α

文中H點(diǎn)到地面的距離為315 mm,所以α=2°～4°.從除霜器氣流與前風(fēng)窗玻璃的交點(diǎn)做一條與前風(fēng)擋玻璃成25°～30°的直線,即除霜器氣流噴射線,這條線決定了除霜器位置.除霜器開口到風(fēng)窗玻璃的距離應(yīng)為44～100 mm.

除霜口設(shè)計(jì)如圖2所示.由圖可見,前風(fēng)窗位置為α=4°時(shí),滿足除霜器氣流噴射角為25°～30°且除 霜開口到風(fēng)擋玻璃的距離為44～100 mm的規(guī)定.

圖2 除霜口設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic design of defrost port

所設(shè)計(jì)的前除霜風(fēng)口和出風(fēng)方向均滿足要求.

2 除霜管道建模

除霜管道結(jié)構(gòu)會(huì)影響各出風(fēng)口的風(fēng)量分配比例以及通過除霜管道過程的壓力損失情況.基于設(shè)計(jì)的除霜管道結(jié)構(gòu),確定其幾何結(jié)構(gòu),如圖3所示.

圖3 除霜管道幾何模型Fig.3 Geometric model of defrosting pipeline

將所建立的幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件,采用多面體網(wǎng)格生成器建立有限元模型,如圖4所示.圖中右側(cè)圖為前出風(fēng)口1、2細(xì)節(jié)圖.

圖4 除霜管道計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of defrosting pipeline

3 除霜出風(fēng)仿真分析

1) 邊界條件

計(jì)算流體物質(zhì)為空氣,采用質(zhì)量入口邊界條件,入口流量為0.17 kg/s.

2) 計(jì)算結(jié)果分析

通過穩(wěn)態(tài)分析,得到各出風(fēng)口流量分布見表2.

表2 各出風(fēng)口流量分布Table 2 Flow distribution of each air outlet

從風(fēng)量分配來看,兩個(gè)側(cè)出風(fēng)口流量相對(duì)均勻(側(cè)出風(fēng)口1流量占總流量比例為7.75%,側(cè)出風(fēng)口2流量占總流量比例為7.75%),兩個(gè)前出風(fēng)口流量稍有差別(前出風(fēng)口1流量占總流量比例為40.28%,前出風(fēng)口2流量占總流量比例為44.22%).流線分布結(jié)果如圖5所示.

圖5 流線分布Fig.5 Streamline distribution

從圖中流線分布來看,前擋風(fēng)玻璃表面上的流線分布比較均勻.速度分布如圖6所示.

從圖中速度分布來看,前出風(fēng)口1的最大速度為18.8 m/s,前出風(fēng)口2的最大速度為18.8 m/s,側(cè)出風(fēng)口1的最大速度為15.5 m/s,側(cè)出風(fēng)口2的最大速度為15.9 m/s.通過計(jì)算可知,4個(gè)出風(fēng)口的出風(fēng)量分配比較合理,流線在前擋風(fēng)玻璃表面分布比較均勻.

4 除霜效果仿真分析

根據(jù)上述除霜管道結(jié)構(gòu),用有限元方法進(jìn)行瞬態(tài)除霜分析,檢查前擋風(fēng)玻璃表面霜層的融化情況.

計(jì)算的流體物質(zhì)為空氣,采用質(zhì)量入口邊界條件,流量為0.17 kg/s,溫度曲線變化如圖7所示.瞬態(tài)除霜結(jié)果如圖8所示.

圖6 前風(fēng)窗玻璃表面及出風(fēng)口速度分布Fig.6 Speed distributions of front windscreens and air outlets

圖8表征了前擋風(fēng)玻璃上霜層融化過程,從圖中可以看出:在20 min內(nèi),A區(qū)內(nèi)近70%霜被除去;40 min時(shí),B區(qū)內(nèi)霜全部融化.

本次設(shè)計(jì)在空調(diào)除霜管道穩(wěn)態(tài)分析基礎(chǔ)上,進(jìn)行瞬態(tài)除霜分析.通過計(jì)算,在40 min內(nèi)前擋風(fēng)玻璃表面B區(qū)內(nèi)霜被全部除去,符合設(shè)計(jì)要求.

圖7 入口空氣溫度變化曲線Fig.7 Curves of inlet air temperature changes

圖8 前擋風(fēng)玻璃瞬態(tài)除霜結(jié)果Fig.8 Transient defrost results of the front windscreen

5 結(jié) 語

本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)汽車除霜管道基本結(jié)構(gòu),建立除霜仿真有限元模型,對(duì)除霜性能進(jìn)行仿真分析,得到以下結(jié)論:

1) 通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到出風(fēng)口風(fēng)量分配情況、車內(nèi)流線分布以及前風(fēng)窗玻璃上速度場(chǎng)分布,發(fā)現(xiàn)4個(gè)出風(fēng)口的出風(fēng)量分配比較合理,流線在前擋風(fēng)玻璃表面分布比較均勻;

2) 通過瞬態(tài)計(jì)算得到霜層在0～40 min的融化效果,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。