基于CFD的某商用車(chē)除霜風(fēng)道性能優(yōu)化

朱紹偉，崔 震，劉秀芝，商 成

基于CFD的某商用車(chē)除霜風(fēng)道性能優(yōu)化

朱紹偉，崔 震，劉秀芝，商 成

（浙江飛碟汽車(chē)制造有限公司五征分公司 汽車(chē)研究院，山東 日照 276800）

為滿足商用車(chē)除霜性能要求，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，采用CFD分析方法對(duì)某商用車(chē)除霜風(fēng)道進(jìn)行仿真優(yōu)化。首先通過(guò)穩(wěn)態(tài)分析優(yōu)化設(shè)計(jì)階段的除霜風(fēng)道壓損、風(fēng)口風(fēng)量分配、前擋與側(cè)窗視野區(qū)域風(fēng)速覆蓋率等性能指標(biāo)，使其滿足目標(biāo)要求；其次加載除霜出風(fēng)的溫升曲線，開(kāi)展除霜瞬態(tài)分析來(lái)預(yù)估除霜效果；最后通過(guò)實(shí)際樣車(chē)進(jìn)行優(yōu)化后的風(fēng)道除霜驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，除霜性能滿足目標(biāo)要求，CFD虛擬驗(yàn)證可以降低研發(fā)成本，提升開(kāi)發(fā)效率。

商用車(chē)除霜風(fēng)道；CFD；性能優(yōu)化；除霜瞬態(tài)分析

商用車(chē)在交通運(yùn)輸中占據(jù)著重要地位，其不斷發(fā)展對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很大的推進(jìn)作用。受冬季氣溫低濕度大的影響，汽車(chē)玻璃上極易產(chǎn)生較厚的霜層，對(duì)安全駕駛車(chē)輛會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。因此，汽車(chē)的除霜性能直接關(guān)系到車(chē)輛行駛的安全性和舒適性[1-2]。汽車(chē)的除霜性能與風(fēng)道的設(shè)計(jì)直接相關(guān)，優(yōu)良的設(shè)計(jì)可以保證出風(fēng)量、角度及風(fēng)在玻璃上的流動(dòng)方向，從而保障除霜的效率。在設(shè)計(jì)初期，通過(guò)虛擬驗(yàn)證可以有效預(yù)測(cè)未來(lái)樣車(chē)的性能，縮短研發(fā)時(shí)間、減少后期更改帶來(lái)的高成本浪費(fèi)，因此，在早期設(shè)計(jì)階段引入虛擬驗(yàn)證技術(shù)來(lái)優(yōu)化汽車(chē)除霜風(fēng)道的性能尤為重要。

以某商用車(chē)除霜風(fēng)道的模型為研究對(duì)象，建立風(fēng)道及駕駛艙除霜模型，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）數(shù)值模擬的分析方法，對(duì)除霜性能的優(yōu)化開(kāi)展穩(wěn)態(tài)分析，對(duì)除霜效果的預(yù)估開(kāi)展瞬態(tài)分析，并結(jié)合試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化后的除霜性能。

1 除霜穩(wěn)態(tài)分析模型及邊界條件

1.1 創(chuàng)建網(wǎng)格模型

根據(jù)某商用車(chē)三維數(shù)據(jù)創(chuàng)建CFD分析模型，首先在前處理軟件中完成除霜風(fēng)道、出風(fēng)口格柵、擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗玻璃、儀表板及駕駛艙內(nèi)飾等部件網(wǎng)格劃分與連接，形成CFD計(jì)算封閉流體域，其次在CFD軟件中完成風(fēng)道、風(fēng)口格柵等關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格加密，最后設(shè)置近壁面邊界層并生成流體域四面體網(wǎng)格，分析計(jì)算模型如圖1、圖2所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算模型

圖2 除霜風(fēng)道局部模型

1.2 穩(wěn)態(tài)分析邊界條件

物理湍流模型使用標(biāo)準(zhǔn)k-Epsilon模型，由于除霜流場(chǎng)分析的氣流流速不高，空氣可視為不可壓縮。進(jìn)口設(shè)定為質(zhì)量流量進(jìn)口，入口流量為0.112 5 kg/s，出口設(shè)為壓力出口，出口靜壓設(shè)為0 Pa。

2 除霜穩(wěn)態(tài)分析目標(biāo)要求

通過(guò)除霜穩(wěn)態(tài)分析可以優(yōu)化除霜風(fēng)道及風(fēng)口格柵結(jié)構(gòu)，對(duì)除霜風(fēng)道壓降、各風(fēng)口風(fēng)量分配、前擋與側(cè)窗視野區(qū)域風(fēng)速覆蓋率等指標(biāo)的優(yōu)化有重大意義[3-5]，因而制定合適的目標(biāo)要求也尤為重要。

2.1 除霜進(jìn)出口壓損

通?？筛鶕?jù)車(chē)型的供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)（Heating Ventilation and Air Conditioning, HVAC）風(fēng)機(jī)性能來(lái)確定除霜模型進(jìn)出口壓損的目標(biāo)要求，可設(shè)在180 Pa以內(nèi)。

2.2 風(fēng)口風(fēng)量分配

除霜風(fēng)道各風(fēng)口風(fēng)量分配的目標(biāo)要求如表1所示。

表1 流量分配目標(biāo)要求

除霜風(fēng)口流量分配目標(biāo)要求/% 中央除霜80±6 左側(cè)除霜10±3 右側(cè)除霜10±3

2.3 玻璃視野區(qū)風(fēng)速覆蓋率目標(biāo)要求

前擋風(fēng)與側(cè)窗玻璃各視野區(qū)表面附近風(fēng)速覆蓋率要求如表2所示。

表2 各視野區(qū)表面附近風(fēng)速覆蓋率目標(biāo)要求

位置風(fēng)速/(m/s)風(fēng)速覆蓋率/% 前擋風(fēng)A區(qū)＞1.5≥90±2 前擋風(fēng)A'區(qū)＞1.5≥90±2 前擋風(fēng)B區(qū)＞1≥95±2 側(cè)窗玻璃視野區(qū)＞1.5≥90±2

3 原始方案除霜穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果

3.1 風(fēng)口風(fēng)量分配

原始方案除霜進(jìn)出口壓損為114 Pa，滿足設(shè)計(jì)要求，但其風(fēng)口風(fēng)量分配如圖3所示，其中中央除霜、左側(cè)除霜、右側(cè)除霜風(fēng)量占比分別為88.4%、5.2%、6.4%，不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖3 原始方案風(fēng)口風(fēng)量分配

3.2 玻璃視野區(qū)風(fēng)速分布

原始方案前擋風(fēng)玻璃視野兩側(cè)附近及側(cè)玻璃視野區(qū)域附近存在風(fēng)速偏小的現(xiàn)象，如圖4、圖5所示，各視野區(qū)表面風(fēng)速覆蓋率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，區(qū)及側(cè)玻璃視野區(qū)的風(fēng)速覆蓋不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖4 原始方案前擋風(fēng)玻璃視野區(qū)風(fēng)速分布

圖5 原始方案?jìng)?cè)窗玻璃視野區(qū)風(fēng)速分布

表3 原始方案視野區(qū)表面風(fēng)速覆蓋率

位置AA'區(qū)B區(qū)左視野區(qū)右視野區(qū) 風(fēng)速要求/(m/s)＞1.5＞1.5＞1＞1.5＞1.5 風(fēng)速覆蓋率（原始方案）/%86.089.288.110.060.0 風(fēng)速覆蓋率（目標(biāo)要求）/%90±290±295±290±290±2

4 除霜風(fēng)道和風(fēng)口格柵設(shè)計(jì)優(yōu)化

綜上所述，該除霜風(fēng)道穩(wěn)態(tài)分析指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，主要存在以下2個(gè)問(wèn)題：1）各除霜風(fēng)口流量分配不均勻，中央除霜風(fēng)量較大，左右兩側(cè)除霜風(fēng)量相對(duì)較少。2）前擋風(fēng)兩側(cè)區(qū)域、側(cè)窗視野區(qū)域滿足風(fēng)速要求的覆蓋面積較少，尤其兩側(cè)除霜。

針對(duì)以上問(wèn)題，調(diào)整除霜風(fēng)道的分風(fēng)導(dǎo)流板、側(cè)除霜風(fēng)口的格柵大小及其角度，具體改進(jìn)優(yōu)化如下所述：

1）調(diào)整風(fēng)道導(dǎo)流板，減少中央除霜正上方區(qū)域的分風(fēng)量，增大中央側(cè)方區(qū)域及兩側(cè)除霜的風(fēng)量，如圖6所示。

圖6 除霜風(fēng)道導(dǎo)流板優(yōu)化示意圖

2）增大側(cè)除霜風(fēng)口格柵開(kāi)口，調(diào)整橫格柵向上方傾斜的角度，提升出風(fēng)高度，如圖7所示。

圖7 側(cè)除霜風(fēng)口格柵優(yōu)化示意圖

5 優(yōu)化方案除霜穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果

5.1 風(fēng)口風(fēng)量分配

優(yōu)化方案除霜進(jìn)出口壓損為129 Pa，相比原始方案稍有增大，但滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化方案其風(fēng)口風(fēng)量分配如圖8所示，中央除霜、左側(cè)除霜、右側(cè)除霜風(fēng)量占比分別為84.2%、7.2%、8.6%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖8 優(yōu)化方案風(fēng)口風(fēng)量分配

5.2 玻璃視野區(qū)風(fēng)速分布

圖9 優(yōu)化方案前擋風(fēng)玻璃視野區(qū)風(fēng)速分布

優(yōu)化后前擋風(fēng)玻璃兩側(cè)、側(cè)窗玻璃視野區(qū)風(fēng)速大小均有明顯提升，如圖9、圖10所示，各視野區(qū)表面風(fēng)速覆蓋率均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，優(yōu)化前后統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖10 優(yōu)化方案?jìng)?cè)窗玻璃視野區(qū)風(fēng)速分布

表4 優(yōu)化前后視野區(qū)表面風(fēng)速覆蓋率

位置AA'區(qū)B區(qū)左視野區(qū)右視野區(qū) 風(fēng)速要求/(m/s)＞1.5＞1.5＞1＞1.5＞1.5 風(fēng)速覆蓋率（原始方案）/%86.089.288.110.060.0 風(fēng)速覆蓋率/%100.0100.099.896.490.5 目標(biāo)要求/%90±290±295±290±290±2

6 除霜瞬態(tài)分析

6.1 網(wǎng)格模型及邊界條件

除霜瞬態(tài)分析的網(wǎng)格模型可在穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上增加玻璃、霜層固體域，玻璃層拉伸3層，厚度為4.7 mm，霜層拉伸2層，厚度為0.5 mm，玻璃及霜層網(wǎng)格如圖11所示。

設(shè)置玻璃及霜層的物理特性及邊界條件，車(chē)內(nèi)空氣初始溫度為-18 ℃、外部溫度為-18 ℃，進(jìn)口加載溫升曲線，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為1 500 s，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為5 s。

6.2 除霜瞬態(tài)分析結(jié)果

通過(guò)除霜瞬態(tài)分析可預(yù)估試驗(yàn)除霜效果，核驗(yàn)優(yōu)化后的除霜風(fēng)道是否滿足除霜試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求，重點(diǎn)關(guān)注除霜試驗(yàn)開(kāi)始后20 min時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果。

優(yōu)化方案的前擋風(fēng)玻璃及側(cè)窗玻璃除霜效果如圖12、圖13所示，20 min時(shí)各視野區(qū)域內(nèi)的霜全部除盡，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖11 玻璃及霜層網(wǎng)格示意圖

圖12 20 min時(shí)前擋風(fēng)玻璃除霜效果云圖

圖13 20 min時(shí)側(cè)窗除霜效果云圖

7 除霜試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

按照整車(chē)除霜試驗(yàn)規(guī)范要求，試驗(yàn)車(chē)在-18 ℃環(huán)境倉(cāng)中進(jìn)行除霜效果驗(yàn)證，得到前擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗玻璃的除霜試驗(yàn)結(jié)果如圖14、圖15所示，試驗(yàn)結(jié)果基本與瞬態(tài)分析預(yù)估的效果一致，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖14 前玻璃除霜試驗(yàn)結(jié)果

(a) 主駕駛側(cè)

(b) 副駕駛側(cè)

圖15 側(cè)窗玻璃除霜試驗(yàn)結(jié)果

8 總結(jié)

經(jīng)除霜穩(wěn)態(tài)分析優(yōu)化后，各性能指標(biāo)有明顯改善提升，均滿足目標(biāo)要求，總結(jié)如下：

1）風(fēng)口風(fēng)量占比：中央除霜由88.4%降低至84.2%、左側(cè)除霜由5.2%提高至7.2%、右側(cè)除霜由6.4%提高至8.6%。

2）視野區(qū)的風(fēng)速覆蓋率：區(qū)、區(qū)提升至100%、區(qū)提升至99.8%、左側(cè)視野區(qū)由10%提升至96.4%、右側(cè)視野區(qū)由60%提升至90.5%。

分析結(jié)果顯示，通過(guò)除霜穩(wěn)態(tài)分析能夠有效改善風(fēng)量分配、視野區(qū)風(fēng)速分布等重要性能指標(biāo)，可快速優(yōu)化提升除霜風(fēng)道的性能。

優(yōu)化方案的除霜瞬態(tài)分析結(jié)果與除霜試驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此，開(kāi)展除霜瞬態(tài)分析能夠預(yù)估除霜試驗(yàn)效果，結(jié)合瞬態(tài)分析能夠保障除霜試驗(yàn)一次通過(guò)，從而降低試驗(yàn)成本，提升開(kāi)發(fā)效率。

[1] 張曉蘭,施俊業(yè),陳江平.汽車(chē)擋風(fēng)玻璃除霜性能數(shù)值模擬[J].汽車(chē)工程,2007,29(11):1009-1013.

[2] 鄧峰,谷正氣,楊易,等.汽車(chē)前風(fēng)窗玻璃除霜除霧數(shù)值模擬分析和研究[J].汽車(chē)工程,2009,31(2):175-179.

[3] 張群峰,劉偉秀,馬鐵利,等.基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的汽車(chē)除霜風(fēng)道數(shù)值模擬[J].汽車(chē)技術(shù),2009(7):34-37.

[4] 吳金玉,陳江平.汽車(chē)空調(diào)除霜系統(tǒng)CFD研究及優(yōu)化[C]//上海市制冷學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.上海:上海市制冷學(xué)會(huì),2007:280-282.

[5] KUMAR V,TARE K,KAPOOR S.Deployment of CFD for Optimization of the Air Flow Distribution over the Windscreen and Prediction of Defrost Performance [J].SAE Technical Papers,2010-01-1059.

Performance Optimization of Defrosting Duct for Commercial Vehicle Based on CFD

ZHU Shaowei, CUI Zhen, LIU Xiuzhi, SHANG Cheng

( Automobile Research Institute,Zhejiang Feidi Motors Company Limited Wuzheng Branch Company, Rizhao 276800, China )

In order to meet the defrosting performance requirements of commercial vehicles and shorten the development time, CFD analysis method is used to optimize the defrosting duct for a commercial vehicle.Firstly, some performances should meet the design goals through steady state analysis during design stage, including the pressure loss of defrosting duct, air volume distribution of air outlet, wind speed coverage in the view of front and side windows field;and then transient analysis is used to predict the defrosting effect by loading temperature rise curve at the air outlet;finally, the optimized air duct defrost verification test is conducted through the actual sample vehicle.The results show that the defrosting performance meets the target requirements,and the CFD virtual verification can reduce the research and development cost and improve the development efficiency.

Defrosting duct for commercial vehicle;CFD;Performance optimization;Defrosting transient analysis

U463.85+1

A

1671-7988(2023)10-74-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.015

朱紹偉（1990—），男，工程師，研究方向?yàn)榱黧w分析，E-mail:920272873@qq.com。