汽車前照燈水汽凝聚現(xiàn)象的瞬態(tài)CFD預(yù)測(cè)

閆相文，李 景，高 岳，王利利

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

車輛前照燈內(nèi)部的水汽凝聚現(xiàn)象被認(rèn)為是車輛照明系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。一項(xiàng)由Prosperi[1]等進(jìn)行的研究表明大多數(shù)車輛主機(jī)廠及汽車前照燈供應(yīng)商都面臨著水汽凝聚的問(wèn)題，其影響主要體現(xiàn)在車輛外觀與安全方面。當(dāng)水汽開(kāi)始凝聚在車燈鏡片上時(shí)，燈光品質(zhì)將會(huì)下降，這一問(wèn)題逐漸為越來(lái)越多的汽車行業(yè)從業(yè)者所關(guān)注。為了在設(shè)計(jì)階段就可以著手優(yōu)化車輛前照燈的抗冷凝特性（即除霧特性），CFD技術(shù)被應(yīng)用于當(dāng)前研究以預(yù)測(cè)由水汽凝聚與消散所導(dǎo)致的車燈鏡片上的“起霧”區(qū)域。JOHAN等[2]在其研究中認(rèn)為車輛前照燈內(nèi)部的流動(dòng)以及質(zhì)量交換強(qiáng)度很低，因此，使用CFD技術(shù)對(duì)起霧現(xiàn)象進(jìn)行模擬是一個(gè)與外部流動(dòng)仿真不同的研究方向，這種不同尤其體現(xiàn)在粘性在流動(dòng)中所占有的主導(dǎo)地位方面。前照燈內(nèi)部水汽可能是在高濕度駕駛環(huán)境中由外部泄露至燈腔內(nèi)部，或是由于燈內(nèi)部件吸濕后釋放出來(lái)的，針對(duì)這一點(diǎn)，JACKY[3]在其研究中發(fā)現(xiàn)，使用除濕劑可以吸收燈腔中的水汽以降低濕度。然而，干燥劑的吸濕是緩慢的結(jié)晶過(guò)程，當(dāng)車燈光源在開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，由于降雨導(dǎo)致車燈鏡片迅速降溫，所以燈腔內(nèi)部的流動(dòng)條件是急劇變化的。因此，相比于結(jié)晶吸收，燈體的熱交換是該研究中更為關(guān)鍵的因素。

考慮到目前最為主流的前照燈光源仍是鹵素光源，燈腔內(nèi)的氣流循環(huán)主要由燈泡與空氣的熱交換主導(dǎo)，因此，典型的雙燈絲抗振鹵素光源的電功率一般介于35 kW和100 kW之間（光照色溫約為3 100 K），其發(fā)熱特性與一支燈泡內(nèi)的3 000 K燈絲接近（取決于燈泡種類）。在大燈光源表面與空氣之間的熱交換為車燈提供了驅(qū)動(dòng)其內(nèi)部空氣流動(dòng)的能量。當(dāng)前照燈被開(kāi)啟時(shí)，飽和絕對(duì)濕度的升高會(huì)帶動(dòng)燈內(nèi)部的水汽在燈腔內(nèi)部重新分布，盡管在這一階段會(huì)有部分的內(nèi)外對(duì)流，但燈腔內(nèi)部空氣仍能容納大部分水汽并最終在其內(nèi)部達(dá)到相對(duì)高溫高濕的平衡。如果此時(shí)關(guān)閉前照燈，由于與外部的流動(dòng)交換非常有限，那么前照燈鏡片上的溫度分布將主要取決于鏡片的熱交換系數(shù)（Heat Transfer Coefficient，HTC）與光源的余熱。當(dāng)鏡片上某位置的局部熱交換趨勢(shì)將明顯高于其它位置時(shí)，當(dāng)?shù)乜諝獾娘柡蜐穸葧?huì)明顯降低，因此鏡片上就出現(xiàn)了水汽凝聚現(xiàn)象。在Honda Odyssey第三方用戶跟蹤報(bào)告中展示的大燈起霧現(xiàn)象，如圖1所示。在該案例中，僅有左前照燈在降雨后發(fā)生了起霧現(xiàn)象。紅線所圈出的部分是霧層的邊界，且該霧層會(huì)降低前照燈的照明質(zhì)量。

圖1 大燈起霧現(xiàn)象

在冷凝現(xiàn)象達(dá)到最大限度后，消霧現(xiàn)象開(kāi)始并一直持續(xù)到燈體內(nèi)部和外界熱量分布逐漸恢復(fù)到前照燈開(kāi)啟前的初始狀態(tài)。該過(guò)程一般是緩慢的，但在某些特定的駕駛環(huán)境下會(huì)被加速，如日光照射或外界環(huán)境溫度上升。本研究采用商用軟件Star-CCM+在仿真過(guò)程中對(duì)此情況進(jìn)行了模擬。一般來(lái)說(shuō)，1小時(shí)的消霧時(shí)間是可以被大多數(shù)設(shè)計(jì)者所接受的[1]。一些廠商和研究人員針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)了試驗(yàn)來(lái)測(cè)試車輛前照燈的起霧和消霧特性，此后，采用CFD對(duì)該類問(wèn)題進(jìn)行研究，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。DEPONTI等[4]在意大利汽車照明公司的環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中搭建了一個(gè)外部行駛環(huán)境模擬臺(tái)架，以測(cè)試車輛前照燈的起霧特性，并將試驗(yàn)結(jié)果用于驗(yàn)證其仿真模型的設(shè)置。JOHAN等[2]以及MENEZES等[5]在其發(fā)表的相關(guān)文章中敘述了數(shù)值仿真中物理模型的選用和邊界條件的設(shè)置。相比于試驗(yàn)，CFD可以進(jìn)一步拓展測(cè)試范圍，為冷凝和蒸發(fā)仿真提供更為極端的外部條件，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)明顯的起霧或消霧效果，因此，選取適當(dāng)?shù)腃FD設(shè)置有利于在仿真的魯棒性、準(zhǔn)確性以及效率上取得平衡。

此外，對(duì)于LED光源的前照燈而言，起霧現(xiàn)象并不是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，這是由于用LED作為發(fā)光單元的燈體會(huì)在燈腔后部裝備一個(gè)獨(dú)立的散熱風(fēng)扇。發(fā)光單元會(huì)通過(guò)風(fēng)扇強(qiáng)制與外界進(jìn)行對(duì)流散熱，燈腔內(nèi)部的流動(dòng)會(huì)被“泵出”以完成與外界的質(zhì)量交換。考慮到傳統(tǒng)光源在車輛照明市場(chǎng)中所占的份額，鹵素光源仍將因其低成本而被廣泛使用。因此，本研究將著眼于分析鹵素光源的前照燈起霧與消霧特性，并針對(duì)該領(lǐng)域提出一套有效的仿真流程及物流模型選用方法。

1 物理世界中的起霧與消霧過(guò)程

車輛前照燈起霧通常在雨天或是潮濕環(huán)境中駕駛時(shí)發(fā)生，圖2展示了典型的前照燈起霧環(huán)境。

圖2 典型的前照燈起霧環(huán)境

由圖可知4個(gè)階段中大氣濕度、大氣溫度以及前照燈鏡片上熱交換系數(shù)的變化趨勢(shì)。這4個(gè)階段如下。

第1階段為降水發(fā)生前的駕駛情況。環(huán)境濕度有輕微的上升，而前照燈鏡片上的熱交換系數(shù)基本維持恒定，可以認(rèn)為其只與車輛行駛速度相關(guān)。

第2階段為雨中駕駛情況。前照燈被開(kāi)啟，鏡片上的熱交換系數(shù)則因降雨而出現(xiàn)階躍下降，同時(shí)，燈體內(nèi)的絕對(duì)濕度則因露點(diǎn)溫度的上升而達(dá)到更高水平。以上兩個(gè)階段在DEPONTI等[4]的研究中被稱為“加熱階段”，在此階段中水汽進(jìn)行了充分的擴(kuò)散。

第3階段為水汽凝結(jié)過(guò)程。由于前照燈的關(guān)閉，燈腔內(nèi)的飽和濕度降低從而在車燈鏡片附近發(fā)生凝聚。在實(shí)驗(yàn)室中，試驗(yàn)員通過(guò)在鏡片上灑水或吹風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)該階段所需的較高對(duì)流換熱趨勢(shì)。

第4階段為消霧階段。凝聚的水汽由于燈腔內(nèi)部的溫度恢復(fù)與空氣流動(dòng)而再次蒸發(fā)。

在第3、4階段中，鏡片上的對(duì)流換熱趨勢(shì)與第1階段類似。

2 CFD方法論

商用CFD軟件Star-CCM+被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，其多模型仿真工作臺(tái)的靈活性使同時(shí)處理復(fù)雜的多物理過(guò)程變成了現(xiàn)實(shí)（如處理固氣兩相間的傳熱、起霧和結(jié)冰等）。在本研究中，Multi-region網(wǎng)格用于代表不同的部件材質(zhì)，包括前照燈鏡片（聚碳酸酯塑料，即PC），大燈燈腔（聚丙烯塑料，即PP），光源透鏡以及空氣域。此外，影響冷凝和蒸發(fā)的各種物理?xiàng)l件也在仿真過(guò)程中進(jìn)行了模擬。此外，燈腔內(nèi)部的流動(dòng)模型為瞬態(tài)層流流動(dòng)，這與之前大多數(shù)基于“湍流模型”開(kāi)展的研究不同。這是由于考慮了燈腔內(nèi)較低的流速（在大燈開(kāi)啟時(shí)低于0.25 m/s）以及燈腔內(nèi)部件的微小尺度（約為0.05 m數(shù)量級(jí)）不足以形成較高雷諾數(shù)的流動(dòng)，所以在該算例中使用的流動(dòng)模型為層流模型。

Multi-region多面體網(wǎng)格劃分細(xì)節(jié)如圖3所示，藍(lán)色網(wǎng)格為空氣域，綠色網(wǎng)格為PA固體壁面。在兩域的交界處，兩種熱介質(zhì)都劃分了邊界層網(wǎng)格以保證界面上的換熱求解精度。

圖3 Multi-region多面體網(wǎng)格劃分細(xì)節(jié)

本研究中所用的網(wǎng)格劃分方法為Star-CCM+推薦的多面體網(wǎng)格，可以捕捉到燈腔內(nèi)復(fù)雜的幾何特征。相較于剪切六面體網(wǎng)格直接用外層棱柱層網(wǎng)格“剪切”內(nèi)部體網(wǎng)格的構(gòu)造，多面體網(wǎng)格的最大優(yōu)勢(shì)為其對(duì)于復(fù)雜幾何的適應(yīng)性。此外，每個(gè)獨(dú)立的多面體網(wǎng)格擁有比剪切六面體更多的相鄰單元，這也降低了單元的拉伸與求解的數(shù)字耗散[6]。

本研究還選用了隱式非穩(wěn)態(tài)求解器以求解瞬態(tài)的物理過(guò)程。考慮到起霧與消霧的物理過(guò)程較為緩慢，將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.01 s，計(jì)算域中的最大庫(kù)朗數(shù)低于5。每個(gè)時(shí)間步內(nèi)的最大迭代次數(shù)為15步，該時(shí)間步內(nèi)的迭代次數(shù)在利用穩(wěn)態(tài)求解進(jìn)行初始化求解后，可將控制方程的無(wú)量綱殘差控制在1×10-3以下。

本研究中，起霧與消霧模型是以環(huán)境中的水汽濃度為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，該模型為“單向模型”，這表示其僅由流場(chǎng)獲得信息，但不與流場(chǎng)進(jìn)行相互作用。當(dāng)進(jìn)行模型初始化時(shí)，霧層厚度可以通過(guò)賦值進(jìn)行定義，但在本研究中，整個(gè)起霧-消霧過(guò)程被完整地模擬，所以在初始化時(shí)可將霧層厚度設(shè)為0。

初始化會(huì)顯著影響瞬態(tài)仿真的求解進(jìn)程和結(jié)果，而在當(dāng)前的研究中采用了穩(wěn)態(tài)求解流場(chǎng)、濕度和溫度信息的方式進(jìn)行算例的初始化，然后切換到瞬態(tài)仿真以求解水汽的彌散和起霧、消霧現(xiàn)象。考慮到實(shí)驗(yàn)室中初始化所耗費(fèi)的大量時(shí)間（約12 h），相較于直接使用瞬態(tài)分析進(jìn)行初始化，該方法在時(shí)間上更高效且成本更低。此外，穩(wěn)態(tài)仿真的結(jié)果作為一個(gè)Baseline的初始條件更有利于研究不同邊界條件設(shè)置對(duì)于結(jié)果的影響。

可以應(yīng)用在穩(wěn)態(tài)仿真中的重要模型被稱作“S2S輻射模型”，但由于該模型是基于計(jì)算視因子的輻射模型，所以選用該模型時(shí)要考慮可投入的計(jì)算能力。S2S模型代表“面到面”，即該模型引入了光學(xué)矢量來(lái)計(jì)算面與面間的輻射傳遞。基于此模型，不同表面上的光輻射beams（反/發(fā)/透光的微小面單元）可以通過(guò)視因子假設(shè)來(lái)計(jì)算其輻射能量的傳遞路徑。Star-CCM+提供的兩種輻射模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖4所示。圖中，色條代表了一個(gè)普通鹵素光源周圍的溫度分布，白色空洞部分則由于溫度超過(guò)400 K而被折疊。右側(cè)的仿真在其凸透鏡的固體域中使用了S2S模型以模擬熱輻射穿過(guò)透鏡后對(duì)于前部空氣的加熱特性，而左側(cè)的算例中沒(méi)有在透鏡固體域中使用該模型。圖5所示某鏡頭模組在有光源的情況下溫度分布的光學(xué)分析結(jié)果[7]，其溫度分布趨勢(shì)與Star-CCM+中對(duì)鏡頭前溫度的預(yù)測(cè)結(jié)果有一定的一致性。對(duì)比該研究中透鏡前的溫度分布圖以及溫度梯度與HSU等[7]的研究成果進(jìn)行比較可知，使用S2S模型可以更好地求解出鏡片上的溫度分布。

圖4 Star-CCM+提供的兩種輻射模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖5 某鏡頭模組在有光源情況下溫度分布的光學(xué)分析結(jié)果[7]

3 數(shù)值仿真設(shè)置

起霧與消霧進(jìn)程仿真的駕駛條件見(jiàn)表1，圖6為在焓濕圖上標(biāo)記出的起霧與消霧進(jìn)程所對(duì)應(yīng)的物理?xiàng)l件變化，相應(yīng)的CFD設(shè)置見(jiàn)表2。

表1 典型的前照燈起霧駕駛工況

表2 邊界條件設(shè)置

圖6 在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下（環(huán)境壓力1 kPa，25 ℃）獲得的焓濕圖中描述大燈起霧與消霧過(guò)程

4 結(jié)果與討論

仿真結(jié)果與行業(yè)內(nèi)之前進(jìn)行的起霧試驗(yàn)表現(xiàn)出一定的一致性，通過(guò)使用Fogging模型，在軟件內(nèi)對(duì)起霧和消霧過(guò)程進(jìn)行了預(yù)測(cè)。衡量起霧情況的一個(gè)指標(biāo)是最大霧層厚度，該指標(biāo)在整個(gè)仿真過(guò)程中（初始化后）都進(jìn)行了記錄。通過(guò)圖7可以觀測(cè)到該指標(biāo)先增后降的變化趨勢(shì)，需要注意的是該圖的水平軸由表2所示的第2階段開(kāi)始計(jì)時(shí)，所以總體計(jì)算時(shí)間也應(yīng)涵蓋初始化的穩(wěn)態(tài)求解時(shí)間。

圖7 前照燈鏡片上的最大霧層厚度

在“加熱階段”燈腔內(nèi)的流動(dòng)由兩個(gè)主要因素主導(dǎo)：密度變化與重力作用。在沒(méi)有這兩個(gè)因素的作用下，流場(chǎng)將會(huì)靜止且水汽不會(huì)被帶動(dòng)循環(huán)。圖8所示的單位長(zhǎng)度矢量圖展示了燈腔內(nèi)光源剖面的整體流動(dòng)速度方向以及局部流動(dòng)情況。由圖可知，光源在持續(xù)加熱周圍的空氣，通過(guò)改變空氣密度進(jìn)而不斷將下部空氣泵至上部，形成循環(huán)致使溫度與水汽在燈腔的右上角（圖8）發(fā)生積累，這為后續(xù)的起霧現(xiàn)象提供了重要條件。前照燈鏡片位置與光源中截面的溫度分布如圖9所示，結(jié)合圖8可知，高溫氣流有向燈腔前頂部流動(dòng)的趨勢(shì)。

圖8 燈腔內(nèi)部流場(chǎng)在光源中截面上的單位長(zhǎng)度矢量圖

由圖8可知，在重力和密度變化的作用下，冷熱空氣在進(jìn)行熱量傳遞的同時(shí)也產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)（圖中的所有矢量長(zhǎng)度都被單位化為1.5 mm，而非表示矢量的大?。?。

圖9 前照燈鏡片上以及中部截面上的溫度分布

根據(jù)圖9所示的溫度分布可以對(duì)流動(dòng)方向進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果與圖8所示的流動(dòng)方向具有一致性。若光源在起霧階段再次被開(kāi)啟，則熱量將以相同的方式驅(qū)動(dòng)空氣及水汽向燈腔前-頂部循環(huán)，而更高的溫度會(huì)提高鏡片上的水汽飽和濃度，因此，霧層將進(jìn)入蒸發(fā)階段。

當(dāng)車燈被關(guān)閉，流動(dòng)會(huì)被鏡片、燈腔后壁以及通氣閥所施加的邊界條件主導(dǎo)。由光源加熱導(dǎo)致的流動(dòng)會(huì)因空氣的慣性而在關(guān)閉光源后維持一段時(shí)間。圖10所示不同時(shí)間點(diǎn)上的霧層厚度分布，如前所述，水汽更為聚集的前頂部位置將會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的起霧現(xiàn)象，而最大厚度的霧層則出現(xiàn)在鏡片的邊角處，在此處的氣流循環(huán)情況最差，這與目前大部分車燈起霧現(xiàn)象所反映的問(wèn)題一致。由圖7可知，最大霧層厚度出現(xiàn)在900 s，然后消霧過(guò)程開(kāi)始。

圖10 起霧過(guò)程中鏡片上的霧層厚度云圖

消霧過(guò)程中的霧層厚度變化如圖11所示，在整個(gè)消霧過(guò)程中，各視圖的最大霧層厚度都被設(shè)置為0.964 μm，因此可以對(duì)鏡片上各個(gè)位置的消霧性能進(jìn)行橫向比較。由于大燈幾何造型和通風(fēng)孔設(shè)計(jì)在燈腔后部的左側(cè)，所以霧層的消散有明顯的從左向右的指向性，即靠近右側(cè)邊角位置的霧層最難蒸發(fā)。在本算例中使用的計(jì)算結(jié)束條件為“最大霧層厚度=0”，最終消霧過(guò)程結(jié)束的時(shí)間約為初始化完成后的1 600 s。

圖11 消霧過(guò)程中霧層厚度變化云圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)研究水汽的凝結(jié)與蒸發(fā)來(lái)模擬一個(gè)簡(jiǎn)化的前照燈模型內(nèi)部的起霧與消霧現(xiàn)象。該仿真方法使用了特定的流動(dòng)模型、傳熱模型、輻射模型和相變模型來(lái)預(yù)測(cè)前照燈鏡片上的起霧面積和消霧時(shí)間。霧層厚度主要受到溫度和濕度分布的影響，而流場(chǎng)則會(huì)影響到水汽和溫度在空間中的傳遞，這尤其會(huì)對(duì)車燈前上部的消霧過(guò)程產(chǎn)生明顯的影響。通風(fēng)孔的布置會(huì)改善其附近流動(dòng)的狀況，并加快消霧進(jìn)程，所以優(yōu)化通風(fēng)孔位置對(duì)于在起霧后重新達(dá)到燈腔內(nèi)的溫濕平衡是非常關(guān)鍵的。然而，使用簡(jiǎn)化的前照燈模型會(huì)失去對(duì)車輛前照燈的普遍代表性，尤其是在前照燈設(shè)計(jì)風(fēng)格逐漸激進(jìn)的當(dāng)下。因此，研究更為細(xì)致而真實(shí)的車燈造型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其起霧、消霧特性的影響將是未來(lái)研究的主要內(nèi)容。