基于露點差閾值法對車燈起霧風險的研究

丁博巖，何 淵，鄭志軍，呂 浩，徐浩文，金立軍

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201800)

引言

汽車燈具不僅是整車造型的重點，并且對整車的安全性有著重要的影響。車燈起霧問題嚴重影響到了汽車的外觀和安全，因此解決車燈起霧問題迫在眉睫。

在分析和解決車燈起霧問題中，對車燈起霧的模擬分析至關重要。在試裝和批量之前，通過模擬仿真的方式把車燈起霧的情況、位置和原因分析清楚，才能在開發(fā)設計階段通過各種手段來減少車燈起霧發(fā)生的可能性[1]。目前，對車燈起霧的模擬通常按照對車燈外配在降溫起霧后消霧階段的液膜情況進行分析。但是由于液膜只能從模擬的角度判斷是否消霧完成，而無法針對潛在的起霧及難以消霧的風險區(qū)域進行評估，更無法對風險性區(qū)域進行定性分析。

本文通過對車燈起霧的原因進行分析，提出了一種基于有限元仿真判斷車燈起霧和對潛在的起霧風險區(qū)域進行量化評判的模擬方法：采用車燈外配內表面全露點差閾值方法判斷分析車燈起霧風險。通過該方法，不僅可以對車燈外配是否起霧、起霧位置和起霧程度做一個直接、準確的判斷，同時還能夠判斷潛在的起霧風險區(qū)域并對其量化分析，從而在開發(fā)設計階段就針對車燈起霧風險區(qū)域做一些優(yōu)化措施來避免風險。

1 露點差閾值評判方法

1.1 露點差的含義與定義

結霧是空氣內的水汽遇到冷的表面而在表面上凝結成霧氣或水珠的自然物理現(xiàn)象。

造成這種現(xiàn)象的主要原因是空氣的溫度低于空氣的露點，使得空氣中的一部分水蒸氣無法以氣體的形式存在空氣中，從而以液體的形式被釋放出來，產生霧氣[2]。

露點差Dtd是指環(huán)境溫度和露點的差值，當露點差大于0 ℃時，表示環(huán)境溫度大于露點，此時不會產生霧氣。露點差越大表示溫度越遠高于露點，起霧的風險也越低。當露點差越接近于0 ℃，表示此時環(huán)境溫度越接近于露點，因此起霧的風險也越高，一旦溫度稍微降低，或者空氣中濕度稍微升高(露點升高)，則有可能發(fā)生溫度低于露點而導致起霧的現(xiàn)象發(fā)生。當露點差等于0 ℃時，環(huán)境溫度等于露點，此時空氣中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)，相對濕度達到100%；當露點差小于0 ℃，則環(huán)境溫度低于露點，此時會產生霧氣。因此起霧風險的大小可以通過露點差的概念來判斷[3]。

1.2 物體表面露點差的計算

根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范第6部分：空氣溫度和濕度的觀測》(QX/T 50—2007)標準，露點溫度Td可采用新系數(shù)的馬格拉斯公式求出初值，再用逐漸逼近(最多三次方)方法求出露點Td(℃)[4]：

(1)

式中，e表示水汽壓，單位為百帕(hPa)；E0表示0 ℃時的飽和水汽壓，取值為6.1078 hPa；a表示系數(shù)，取7.69；b表示系數(shù)，取243.92。

式(1)中的水汽壓e可以通過相對濕度進行計算：

(2)

式中，U表示相對濕度，單位為百分率(%)；Ew表示干球溫度t所對應的純水平液面飽和水汽壓，單位為百帕(hPa)可用式(3)進行計算：

(3)

式中，Ew表示純水平液面飽和水汽壓，單位為百帕(hPa)；T1表示水的三相點溫度，273.16 K；T表示絕對溫度，單位為開爾文(K)，T=273.15+t℃；t表示環(huán)境溫度，單位為攝氏度(℃)。

通過上述公式可以看出，露點的計算與溫度以及相對濕度有關。而露點差可以通過環(huán)境溫度和已經計算出的露點的差值計算得出：

Dtd=t-Td

(4)

其中：t表示環(huán)境溫度；Td表示露點溫度。

1.3 露點差閾值

露點差閾值(Dtd)是指，當露點差大于此閾值時，起霧的風險較低且消霧較易；而當露點差小于此閾值時，起霧的風險較高且消霧較難。

根據(jù)模擬條件和實際車燈實驗結果，本文采用露點差閾值的經驗值為2 ℃(與下文所提出的霧氣模擬條件相關聯(lián)，不同的模擬條件可以采用不同的露點差閾值)。即當露點差小于經驗露點差閾值2 ℃的區(qū)域是有霧氣風險的，露點差大于經驗露點差閾值2 ℃的區(qū)域霧氣風險較低。

1.4 露點差閾值對車燈起霧模擬上的應用

在1.3節(jié)提到，判斷起霧風險可以直接通過是否小于露點差閾值來判斷，而露點差的計算與溫度以及相對濕度有關，因此汽車外配內表面上每一點的露點差都是不同的?？梢酝ㄟ^有限元模擬，得到車燈外配表面每一點的溫度以及相對濕度，再利用式(1)～式(4)計算車燈外配每一個點的露點差，再通過露點差是否小于露點差閾值來判斷起霧風險，此流程如圖1所示。

圖1 露點差判斷汽車外配起霧風險流程圖Fig.1 Flowchart for determining the risk of automotive exterior fogging by dew point difference

2 露點差閾值法的模擬驗證

2.1 模擬條件

模擬針對某實驗尾燈的A燈進行霧氣仿真，模擬條件如下：

第一步，設置初始環(huán)境溫度35 ℃，開燈狀態(tài)下外配側的給予一定對流換熱系數(shù)。

第二步，仿真快速降溫起霧過程，外配側溫度設置為降溫溫度，并且對流換熱系數(shù)提高，使得外配的溫度迅速降低以達到起霧的目的，同時殼體處對流換熱系數(shù)保持不變且溫度降低。此階段下為關燈狀態(tài)且持續(xù)3 min。

第三步，仿真消霧階段，此時對流換熱系數(shù)調整到最初始條件：保持溫度為第二步驟殼體溫度，且持續(xù)60 min。

一般地，仿真結果在開始消霧后60 min內霧氣全部消散則認為燈具的霧氣是低風險。

2.2 液膜模擬結果

圖2為消霧過程10～60 min的液膜厚度圖，藍色區(qū)域為液膜厚度為0的區(qū)域，即無霧氣區(qū)域；而非藍色區(qū)域就是液膜厚度大于0也就是有霧氣的區(qū)域。在整個消霧過程中，霧氣位置(液膜大于0的位置)是逐步減小的，40 min之后液膜變?yōu)?，表示40 min后霧氣完全消除。

圖2 消霧過程—液膜結果圖Fig.2 Mist elimination process-liquid film result diagram

因此，按照通常情況可以判斷此實驗尾燈的消霧能力是低風險的。

2.3 露點差閾值法模擬結果

進一步，利用露點差閾值法來進行車燈霧氣的風險判斷。首先通過仿真模擬得到外配的溫度和相對濕度結果，再利用式(3)對露點溫度進行計算，從而得出整個消霧過程的露點溫度。根據(jù)相同時刻下的溫度和露點溫度算出露點差，從而得到整個消霧過程的露點差結果，如圖3所示。

圖3 消霧過程—露點差結果圖Fig.3 Mist elimination process-dew point difference result diagram

由圖3可知，露點差從消霧開始大部分區(qū)域小于2 ℃開始不斷升高，但是在40 min后仍然有部分區(qū)域是小于2 ℃的。如果把露點差圖按照露點差閾值2 ℃進行不同顏色劃分則如圖4所示。

圖4 消霧過程—按照露點差閾值劃分結果圖Fig.4 Fogging process-results by dew point difference thresholds

如圖4所示，紅色區(qū)域是露點差大于2 ℃的區(qū)域，而藍色區(qū)域是露點差小于2 ℃的區(qū)域?？梢钥闯?，40 min后在靠近焊接筋處以及外側處仍有藍色區(qū)域，也就是低于露點差閾值2 ℃的。即雖然在40 min后，從液膜結果圖來看是沒有霧氣的(液膜都為0)，但是從露點差閾值結果來看，靠近焊接筋處以及外側處是有很大的霧氣問題風險的。因為在實際使用中，如果燈體溫度降低或者燈腔內相對濕度較高都會導致這部分區(qū)域產生較多霧氣而無法消除。

2.4 低溫環(huán)境霧氣實驗

為了驗證露點差閾值法判斷車燈外配起霧風險的準確性，對此實驗燈具進行低溫環(huán)境霧氣實驗。實驗條件為：在低溫環(huán)境下，車輛停止一段時間后，開燈狀態(tài)下以一定速度開一定距離，如果霧氣沒有消除則繼續(xù)關燈繼續(xù)行駛一定距離看是否霧氣消除，最終，如果霧氣還是不能消除，則車輛的消霧能力是較差的。

圖5為此實驗尾燈的實驗結果與模擬結果的對比圖。從圖中可以看出，產生霧氣的位置是在靠近焊接筋處以及外側處，低溫環(huán)境霧氣實驗結果與利用露點差閾值法判斷的車燈起霧風險區(qū)域基本吻合，而這部分起霧區(qū)域是利用液膜法無法模擬和判斷出來的。

圖5 模擬結果與低溫環(huán)境霧氣實驗結果對比Fig.5 Comparison of simulation results with results of low-temperature ambient fog experiments

3 總結

(1)汽車車燈起霧問題的研究對汽車照明是非常重要的，而在開發(fā)階段的霧氣模擬又是提前判斷出車燈起霧風險以及起霧風險區(qū)域的第一道也是最重要的一個手段。因此，車燈的霧氣模擬非常重要。

(2)傳統(tǒng)利用液膜法來模擬車燈起霧的方法雖然可以精確模擬出是否起霧、多久可以消霧，以及尚未消霧的區(qū)域。但是由于液膜只有大于0和小于0兩個界限，針對有些區(qū)域是有潛在的起霧或消霧難的風險，采用液膜仿真結果無法識別。

(3)利用露點差閾值法不僅能精準的判斷是否會起霧以及無法消霧的區(qū)域，并且通過閾值的量化可以判斷車燈外配存在的潛在起霧的區(qū)域以及難以消霧的區(qū)域。

(4)根據(jù)不同的霧氣模擬條件可以采用不同的露點差閾值，通過閾值來量化起霧風險提前防范可能起霧的風險區(qū)域。