基于CFD分析的某車型空調(diào)除霜試驗不合格的優(yōu)化改進

李 偉

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

目前汽車在國內(nèi)的保有量逐漸增多，隨著人民生活水平的提高汽車市場的競爭也更加激烈化?？照{(diào)性能是整車性能以及客戶感官評價的一個重要指標(biāo)，而評價空調(diào)性能的一個重要參數(shù)就是除霜/除霧性能[1]。在冬天行車和陰雨天行車時，由于整車車內(nèi)和車外的濕度、溫度不一致，會導(dǎo)致車輛玻璃上產(chǎn)生霧氣，嚴(yán)重的會結(jié)霜，車輛行駛過程中玻璃上產(chǎn)生的霧氣會影響駕駛員的視野，存在行車安全隱患，必須要花費最短的時間除去車窗玻璃上的霧氣或霜層。

1 問題現(xiàn)狀

某車型在試驗場做除霜試驗時發(fā)現(xiàn)，乘員側(cè)除霜速度較慢、效果差、影響駕駛、除霜不滿足技術(shù)要求、性能不合格。針對此問題，本文以某型汽車空調(diào)風(fēng)道的三維模型為分析對象，利用ANSA& Fluent軟件進行計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）模擬分析，針對分析結(jié)果對風(fēng)道進行優(yōu)化，提升整車空調(diào)除霜性能[2]。

2 問題分析

通過試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，10分鐘內(nèi)A區(qū)除凈面積比例為100%，A'區(qū)除凈面積比例為98%，達到標(biāo)準(zhǔn)要求的10分鐘A區(qū)、A'區(qū)除凈面積比例大于等于80%的要求，如圖1所示；左側(cè)窗10分鐘內(nèi)1區(qū)、2區(qū)除凈面積比例為100%，達到標(biāo)準(zhǔn)要求的10分鐘D區(qū)、E區(qū)除凈面積比例大于等于90%的要求，如圖2所示；右側(cè)窗10分鐘內(nèi)1區(qū)、2區(qū)除凈面積比例為60%，未達到標(biāo)準(zhǔn)要求的10分鐘1區(qū)、2區(qū)除凈面積比例大于等于90%的要求，如圖3所示，該狀態(tài)除霜性能不合格。針對試驗不合格車輛的除霜風(fēng)道數(shù)據(jù)做CFD分析，查看CFD分析結(jié)果是否與試驗結(jié)果一致，以便于研究整改方向。

圖1 前擋風(fēng)玻璃除霜效果圖

圖2 左側(cè)窗除霜效果圖

圖3 右側(cè)窗除霜效果圖

2.1 建立模型

根據(jù)數(shù)模建立CFD分析模型。采用數(shù)模為空調(diào)主機、前除霜風(fēng)道、左側(cè)除霜風(fēng)道、右側(cè)除霜風(fēng)道、前圍板、前擋風(fēng)玻璃、左側(cè)窗玻璃、右側(cè)窗玻璃、儀表臺、車廂內(nèi)飾和地板（參照GB 11556標(biāo)準(zhǔn)將前擋風(fēng)玻璃劃分為A區(qū)、A'區(qū)和B區(qū)三個區(qū)域，其中B區(qū)包括A區(qū)和A'區(qū)，側(cè)窗玻璃上的除霜區(qū)域根據(jù)總布置提供的駕駛員視野范圍來進行確定）。

將風(fēng)道表面生成非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，單元大小約為 2 mm；模型內(nèi)部空氣域生成非結(jié)構(gòu)化Poly網(wǎng)格，長度約為10 mm。為了能夠更精確地模擬近壁面區(qū)域流體的流動情況，從模型壁面開始向內(nèi)拉伸 3層棱柱形網(wǎng)格。其中單元總數(shù)約為530萬[3]，且網(wǎng)格連續(xù)、均勻、過渡平緩。

CFD分析輸入條件如表1—表3所示[4]。

表1 風(fēng)口壓力

表3 暖芯

表2 蒸發(fā)器

2.2 標(biāo)準(zhǔn)要求

1.流量分配

前除霜風(fēng)口的流量占 80%±6%；左側(cè)除霜風(fēng)口的流量占 10%±3%，右側(cè)除霜風(fēng)口的流量占10%±3%。

2.氣流吹拂速度

1）前除霜氣流吹拂速度。A區(qū)風(fēng)速要大于等于2.5 m/s；A'區(qū)風(fēng)速要大于等于2.0 m/s；B區(qū)風(fēng)速要大于等于1.5 m/s。

2）側(cè)除霜氣流吹拂速度。駕駛側(cè)風(fēng)速要大于等于1.5 m/s；乘員側(cè)風(fēng)速要大于等于1.5 m/s。

2.3 計算CFD分析結(jié)果

2.3.1 計算流量分配結(jié)果

前除霜風(fēng)道流量占總流量的86.3%，左側(cè)除霜風(fēng)道流量占總流量的7.2%，右側(cè)除霜風(fēng)道流量占總流量的 6.37%，其中中左前除霜風(fēng)口風(fēng)量為17%，中央前除霜風(fēng)口風(fēng)量為46.6%，中右前除霜風(fēng)口風(fēng)量為22.7%。不滿足設(shè)計目標(biāo)。由各出風(fēng)口的分風(fēng)比可知，右側(cè)出風(fēng)口的風(fēng)量偏小，達不到10%±3%的目標(biāo)值，這也是右側(cè)玻璃除霜效果不理想的原因。

2.3.2 風(fēng)速分配

由圖4 可知前擋風(fēng)玻璃上的A區(qū)平均風(fēng)速為1.15 m/s；A'區(qū)平均風(fēng)速為1.85 m/s；B區(qū)平均風(fēng)速為1.66 m/s，由于前除霜風(fēng)道中左出風(fēng)口局部缺流（圖中標(biāo)示區(qū)域），導(dǎo)致A區(qū)局部風(fēng)速偏低。

由圖4—圖6風(fēng)速云圖可知，前擋風(fēng)玻璃及兩側(cè)側(cè)窗玻璃上各區(qū)的平均風(fēng)速都較小，遠遠達不到2 m/s的風(fēng)速要求，若想達到2 m/s的風(fēng)速要求，需要對除霜風(fēng)道的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計（視角方向：從車外向車內(nèi)）。

圖4 前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速云圖

圖6 右側(cè)窗玻璃風(fēng)速云圖

2.3.3 流線圖

由圖7—圖9可知前除霜氣流撞擊前擋風(fēng)玻璃后未能均勻散開；前除霜氣流中間部位存在局部混亂，并存在氣流干擾現(xiàn)象；副駕側(cè)除霜氣流與玻璃撞擊點偏低，氣流吹擊玻璃后擴散效果較均勻。

圖7 前擋風(fēng)玻璃流線圖

圖9 副駕側(cè)窗流線圖

圖8 主駕側(cè)窗流線圖

2.4 改進方案

2.4.1 前除霜風(fēng)道改進方案

由于前除霜風(fēng)道中左出風(fēng)口局部缺流，現(xiàn)對前除霜風(fēng)道左右區(qū)域的導(dǎo)流板進行重新布置[5]，對中出風(fēng)口附近的V板造型進行優(yōu)化，向右側(cè)偏移8 mm，如圖10所示。

2.4.2 側(cè)除霜風(fēng)道改進方案

由圖5可知，駕駛員通過左側(cè)除霜風(fēng)道出風(fēng)方向及左側(cè)窗上的落點方框看左后視鏡，左側(cè)除霜風(fēng)道出風(fēng)方向在左側(cè)窗上的落點靠近方框，駕駛員看左后視鏡的區(qū)域偏下，通過修改左側(cè)除霜風(fēng)道的導(dǎo)風(fēng)方向可以優(yōu)化左除霜效果，修改后的數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖5 左側(cè)窗玻璃風(fēng)速云圖

圖11 左前除霜風(fēng)道

由圖6可知，駕駛員通過右側(cè)除霜風(fēng)道出風(fēng)方向及右側(cè)窗上的落點上部方框看右后視鏡，駕駛員通過下部方框看右廣角視鏡，通過修改右側(cè)除霜風(fēng)道的導(dǎo)風(fēng)方向可以優(yōu)化右除霜效果，修改后的數(shù)據(jù)如圖12所示。

3 方案驗證

3.1 CFD分析結(jié)果

前除霜風(fēng)道流量占總流量的85.06%，左側(cè)除霜風(fēng)道流量占總流量的7.57%，右側(cè)除霜風(fēng)道流量占總流量的7.37%，流量分配滿足要求。

由圖13可知，A區(qū)平均風(fēng)速為1.66 m/s；A'區(qū)平均風(fēng)速為1.69 m/s；B區(qū)平均風(fēng)速為1.73 m/s，整個前擋風(fēng)玻璃平均風(fēng)速為1.55 m/s，修改后前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布均勻，效果理想。

圖13 前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速云圖

由圖14、圖15可知，左側(cè)窗玻璃平均風(fēng)速為1.2 m/s，右側(cè)窗玻璃平均風(fēng)速為1.73 m/s，較整改前有很大的提升。

圖14 左側(cè)窗玻璃風(fēng)速云圖

圖15 右側(cè)窗玻璃風(fēng)速云圖

由圖16可知，前除霜氣流能撞擊擋風(fēng)玻璃后能較好貼合玻璃；前除霜氣流主駕側(cè)局部干涉；前除霜氣流趨勢基本合理。

圖16 前擋風(fēng)玻璃流線圖

由圖17、圖18可知，主駕側(cè)側(cè)除霜氣流撞擊點偏高；右側(cè)側(cè)除霜氣流較為理想但側(cè)窗上方局部氣流流速偏低。

圖17 左側(cè)側(cè)窗流線圖

圖18 右側(cè)側(cè)窗流線圖

3.2 環(huán)境倉驗證

對整改后狀態(tài)的風(fēng)道進行除霧對比試驗，驗證整改后的風(fēng)道空調(diào)除霧性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，驗證效果如圖19—圖21所示。

圖19 前擋風(fēng)玻璃除霜效果圖

圖20 左側(cè)窗除霜效果圖

圖21 右側(cè)窗除霜效果圖

前擋風(fēng)玻璃除霧面積比例如表4所示。

表4 改進前/改進后除霜試驗對比

結(jié)果顯示，1）左側(cè)窗：整改狀態(tài)10 min內(nèi)完全除盡，優(yōu)于原狀態(tài)，不影響觀看后視鏡；2）右側(cè)窗：整改狀態(tài)10 min內(nèi)完全除盡，優(yōu)于原狀態(tài)，不影響觀看后視鏡。

4 總結(jié)

本文依托CFD分析對除霜風(fēng)道的除霜效果進行優(yōu)化設(shè)計，大大提升了前擋風(fēng)玻璃及左右側(cè)除霜玻璃上可視區(qū)域的平均風(fēng)速以及風(fēng)速分布[6]，通過后面的試驗艙試驗也驗證了整改后的除霜效果滿足試驗要求，達到了預(yù)期的整改效果。