基于CFD的商用車擋風(fēng)玻璃的除霜性能分析

吳后吉, 黃玉婷, 紀(jì)緒北, 潘亞南

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司, 廣東 深圳 518118)

車輛的除霜性能對車輛的安全行駛有著重要影響?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)大多針對乘用車,對于商用車的除霜要求,國標(biāo)[1]為非認(rèn)證項(xiàng),美標(biāo)為認(rèn)證項(xiàng)[2]。本文通過對某商用車除霜管道的流場進(jìn)行仿真分析,并與試驗(yàn)結(jié)果比較,提出不同的改進(jìn)方案,改善了前擋風(fēng)玻璃的除霜效果。

1 仿真分析

大部分的CFD仿真基于穩(wěn)態(tài)分析,僅考慮流體速度分布情況[3-10]。但由于除霜效果與溫度密切相關(guān),因此,分析瞬態(tài)溫度場更為準(zhǔn)確[11-12]。本文采用STAR-CCM+仿真軟件,除進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析外還進(jìn)行瞬態(tài)分析,瞬態(tài)分析中考慮了冰層厚度、溫度、融冰隨時間變化的情況。

1.1 仿真模型建立

首先對幾何模型進(jìn)行前處理,簡化除霜器內(nèi)模型,并對不影響分析精度的車身內(nèi)部、頂部、駕駛員后圍區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)簡化;保留風(fēng)窗玻璃、風(fēng)腔、風(fēng)口、儀表臺的詳細(xì)數(shù)模,形成封閉的計(jì)算域。圖1為網(wǎng)格劃分前經(jīng)過適當(dāng)簡化的幾何模型。

圖1 經(jīng)過適當(dāng)簡化的幾何模型

然后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個計(jì)算域采用切割體網(wǎng)格,包含拉伸網(wǎng)格與棱柱層網(wǎng)格,并對風(fēng)口、風(fēng)腔、風(fēng)窗玻璃進(jìn)行網(wǎng)格加密。求解的體網(wǎng)格數(shù)量為3 733 324。

1.2 穩(wěn)態(tài)仿真分析及方案改進(jìn)

1.2.1 原方案仿真分析

穩(wěn)態(tài)分析主要研究流體域中空氣的流動情況,為方案改進(jìn)及瞬態(tài)分析奠定基礎(chǔ)。

首先對材料、邊界條件、計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型中流體區(qū)域?yàn)椴豢蓧嚎s空氣,恒密度,分離流,湍流Realizable K-Epsilon Two-Layer模型,Simple迭代算法。入口為質(zhì)量流量入口：0.106 9 kg/s(325 m3/h),根據(jù)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量試驗(yàn)曲線與仿真匹配所得,方向垂直于入口邊界;出口為壓力出口P=0 Pa;其他邊界為壁面邊界。初始速度為0 m/s,溫度為-10 ℃。穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果如下。

除霜器風(fēng)量為0.098 679 kg/s(300 m3/h),圖2為原方案的除霜速度圖,根據(jù)穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果,風(fēng)速≥1.5 m/s的玻璃區(qū)域分布于前窗兩側(cè),側(cè)窗表面風(fēng)速偏低。

注：前擋玻璃黑色區(qū)域?yàn)椴ＡП砻骘L(fēng)速≥1.5 m/s區(qū)域。

圖3 原方案風(fēng)除霜流線圖

根據(jù)風(fēng)速流線圖(圖3)可更直觀地看到除霜情況,顏色由淺到深表示速度值由小到大。前窗中部基本沒有流線,且風(fēng)吹至玻璃的撞擊點(diǎn)偏上,除霜效果差;前風(fēng)口兩側(cè)的流線對側(cè)風(fēng)口的流線產(chǎn)生擾動,且側(cè)風(fēng)口未較好地朝向側(cè)窗視野區(qū),風(fēng)大部分吹向側(cè)窗上部,多種因素導(dǎo)致側(cè)窗視野區(qū)基本沒有風(fēng)速≥1.5 m/s的風(fēng)吹過。

1.2.2 方案改進(jìn)

根據(jù)除霜分析結(jié)果和對速度流線的分析,分別對儀表臺、前風(fēng)口、風(fēng)腔和側(cè)風(fēng)口進(jìn)行了針對性的改進(jìn),如圖4、圖5和圖6所示。

如圖4所示,將儀表臺上的側(cè)風(fēng)口向車后方向移動,減小側(cè)風(fēng)口與視野區(qū)的距離,可以提高側(cè)除霜效果。對于前風(fēng)口兩側(cè)擾流問題,通過堵住兩邊三角區(qū)域風(fēng)口,可有效減少對側(cè)風(fēng)口流線的擾動。前窗中部除霜效果欠佳與前風(fēng)口內(nèi)的導(dǎo)風(fēng)板角度有關(guān),因此將導(dǎo)風(fēng)板方向調(diào)整為垂直,增加對前窗中間區(qū)域的除霜風(fēng)量。針對前風(fēng)口撞擊點(diǎn)偏上的情況,采用微調(diào)前風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板弧度的方式,可有效降低吹出風(fēng)碰撞點(diǎn)的位置。

圖4 對儀表臺和前風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板的優(yōu)化

受儀表臺不可調(diào)整的影響,僅微調(diào)側(cè)風(fēng)口的位置無法有效改善側(cè)除霜效果,因此通過改變風(fēng)腔形狀來增加對側(cè)窗除霜的效果。原側(cè)風(fēng)口下的風(fēng)腔空間大,風(fēng)道僅有垂直向上(Z軸)的導(dǎo)向,易在側(cè)風(fēng)口下形成漩渦低速區(qū),且風(fēng)吹出后易發(fā)散,較難吹至側(cè)窗視野區(qū)。如圖5所示,通過減小風(fēng)腔尾部空間,風(fēng)道增加朝向側(cè)窗的倒角,對導(dǎo)流至側(cè)窗具有重要影響,且風(fēng)口具有朝向側(cè)窗的傾角,對風(fēng)流暢地吹向側(cè)窗具有加成作用。

圖5 對風(fēng)腔的優(yōu)化

此外,側(cè)風(fēng)口的格柵對風(fēng)向和導(dǎo)向也具有影響。如圖6所示,將格柵的法向方向?qū)?zhǔn)側(cè)窗視野區(qū),可增加導(dǎo)向。同時,增加格柵寬度,使俯視風(fēng)口時無法看見風(fēng)腔內(nèi)部結(jié)構(gòu),可有效減少發(fā)散流線,加強(qiáng)風(fēng)的導(dǎo)向。

圖6 對側(cè)風(fēng)口的優(yōu)化

1.2.3 方案改進(jìn)效果

優(yōu)化后,對其進(jìn)行除霜分析,圖7的除霜速度分布結(jié)果表明,前窗中部除霜效果得到改進(jìn),側(cè)窗視野區(qū)也能有較多風(fēng)吹過,除霜效果得到較大提高。圖8的除霜流線圖表明,前風(fēng)口中部有流線分布,且撞擊點(diǎn)有所降低;前風(fēng)口兩側(cè)的風(fēng)對側(cè)風(fēng)口不再產(chǎn)生干擾,且恰好覆蓋分布于前窗視野區(qū);側(cè)風(fēng)口吹出的風(fēng)的流線也朝向側(cè)窗視野區(qū),除霜效果顯著增強(qiáng)。

注：黑色區(qū)域?yàn)椴ＡП砻骘L(fēng)速≥1.5 m/s區(qū)域。

圖8 優(yōu)化方案的除霜流線圖

通過對各個影響因素的微調(diào),既不大改儀表臺和風(fēng)道,也不影響已經(jīng)完成的儀表臺制作,僅通過小改達(dá)到除霜要求。方案改進(jìn)后,前窗C區(qū)玻璃表面風(fēng)速≥1.5 m/s的區(qū)域面積占比由85.1%提高至99.9%,A區(qū)由57.6%提高至92.0%,主駕側(cè)窗視野區(qū)由0%提高至100%,副駕由0%提高至90.6%。

1.3 瞬態(tài)仿真分析

在穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行瞬態(tài)分析,求能量方程,確定計(jì)算域的溫度場分布和風(fēng)窗玻璃上的冰層隨時間融化的過程。

1.3.1 瞬態(tài)仿真分析前處理

利用Thin Film中的DeIcing模塊處理除霜問題[13]。采用基于邊界熱流的經(jīng)驗(yàn)算法：當(dāng)熱氣流吹至擋風(fēng)玻璃時進(jìn)行對流換熱,擋風(fēng)玻璃將熱量傳至玻璃外的冰層,玻璃外表面的溫度一旦高于冰層溫度冰就會開始融化,即除霜過程。

對于空氣、風(fēng)窗玻璃、冰層的物理物性見表1。

表1 空氣、風(fēng)窗玻璃、冰層的物理物性

考慮風(fēng)窗玻璃與周圍環(huán)境進(jìn)行換熱,其對流換熱系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：h為對流換熱系數(shù);v為車輛靜止時來流風(fēng)速。

首先對風(fēng)窗玻璃前的冰層進(jìn)行建模,拉伸風(fēng)窗玻璃層5層,厚度為5 mm,瞬態(tài)計(jì)算設(shè)霜層厚度為0.5 mm,計(jì)算所得玻璃對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)。

邊界條件與計(jì)算參數(shù)設(shè)置：采用薄冰模型、恒定固體密度、不定常模型。步進(jìn)1 s,每步迭代10次,計(jì)算1 800 s。對于出風(fēng)口入口溫度,采用出風(fēng)溫度曲線數(shù)據(jù),如圖9所示。

圖9 風(fēng)機(jī)出風(fēng)溫度曲線

1.3.2 瞬態(tài)仿真結(jié)果

在穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上,瞬態(tài)分析考慮了玻璃前的霜層厚度、冰層隨時間融化效果,結(jié)果如圖10所示。

注：黑色區(qū)域?yàn)樗獙雍穸?0 mm區(qū)域。

從瞬態(tài)仿真結(jié)果可知：20 min時除霜面積不大于50%,30 min時除霜面積大于80%;主駕與副駕的風(fēng)窗玻璃除霜效果不對稱,副駕比主駕玻璃除霜效果好。

2 實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)車試驗(yàn)及仿真分析的融霜等值線結(jié)果分別如圖11和圖12所示。對比兩圖可知,瞬態(tài)除霜前15 min,仿真結(jié)果的融霜速度比試驗(yàn)結(jié)果慢;15 min后,仿真結(jié)果的融霜速度慢慢增加,在20 min時與試驗(yàn)結(jié)果基本一致;20 min后仿真結(jié)果的融霜速度比試驗(yàn)融霜速度快;30 min時的仿真融霜效果與35 min時的試驗(yàn)效果基本一致。

圖11 試驗(yàn)的融霜等值線結(jié)果(從車外看)

圖12 仿真的融霜等值線結(jié)果(從車外看)

仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在差異的原因可能有：①整車氣密性影響;②模型存在一定的誤差;③仿真輸入的出風(fēng)溫度為風(fēng)口的出風(fēng)溫度,在除霜器和風(fēng)腔風(fēng)道中存在一定的溫度損失,導(dǎo)致誤差。雖然不可避免會存在一定的誤差,但此仿真方法的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢基本一致。

3 結(jié)束語

通過瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)CFD方法對某商用車的除霜系統(tǒng)進(jìn)行分析,提出改進(jìn)方案,提高了正擋風(fēng)玻璃的除霜效果,尤其是對側(cè)面除霜的出風(fēng)格柵進(jìn)行了優(yōu)化,側(cè)窗除霜的效果明顯改善,并大大減少新車研發(fā)時間和成本。