基于環(huán)境艙除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

基于環(huán)境艙除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

0離霜性能要求為《國(guó)汽車(chē)玻璃扶手的性能是汽車(chē)安全的重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到駕駛員的駕駛視野。完善汽車(chē)蓋部的性能非常重要。目前除霜性能?chē)?guó)家標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)M1類(lèi)車(chē)型,對(duì)商用車(chē)無(wú)相關(guān)要求,但商用車(chē)除霜性能要求可以借鑒GB11555—2009《汽車(chē)風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》。在北方寒冷地區(qū)的冬季,某款輕型客車(chē)風(fēng)窗玻璃除霜效果較差,即前擋風(fēng)玻璃上的冰融化較慢,與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)除霜要求有一定的差距,駕駛員的行車(chē)安全受到很大影響。針對(duì)該款輕型客車(chē)存在的除霜效果不佳問(wèn)題,文中使用STAR-CCM+軟件對(duì)除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)優(yōu)化前后兩種除霜風(fēng)道對(duì)汽車(chē)前擋風(fēng)玻璃除霜性能影響的比較,表明優(yōu)化后除霜風(fēng)道的除霜性能得到顯著提升,通過(guò)環(huán)境艙除霜試驗(yàn)得到驗(yàn)證,為汽車(chē)除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。1一輛中型客車(chē)的除霜系統(tǒng)1.1除霜風(fēng)道前后市場(chǎng)的結(jié)霧現(xiàn)象該款輕型客車(chē)除霜系統(tǒng)是將鼓風(fēng)機(jī)吸進(jìn)來(lái)的車(chē)外冷風(fēng),經(jīng)加熱器加熱后,由除霜風(fēng)道吹到前擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗玻璃,通過(guò)熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)方式,融化風(fēng)窗玻璃外表面的冰,同時(shí)也可循環(huán)風(fēng)窗玻璃附近的空氣,避免風(fēng)窗玻璃內(nèi)表面溫度比車(chē)廂內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度低而發(fā)生結(jié)霧現(xiàn)象,見(jiàn)圖1。1.2未除霜痕跡該款輕型客車(chē)在環(huán)境艙進(jìn)行除霜試驗(yàn),其除霜效果如圖2所示,表1為其前擋風(fēng)玻璃實(shí)際除霜面積比值。由圖2可知,每5min除霜蹤跡圖相差甚小,燃燒點(diǎn)偏低,位于B區(qū)下邊界的下方,前擋風(fēng)玻璃上部和兩側(cè)霜均未除去。由表1可知,20min時(shí)A區(qū)冰層未融化,25min時(shí)A’區(qū)冰層也沒(méi)有融化,而40min時(shí)B區(qū)冰層融化35.7%,與國(guó)標(biāo)除霜要求有一定的差距,其除霜效果較差。1.3前耐霜性能分析通過(guò)風(fēng)速儀測(cè)量,該輕型客車(chē)前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布情況如圖3所示。由圖3可知,前擋風(fēng)玻璃兩側(cè)風(fēng)速偏小或無(wú)風(fēng)經(jīng)過(guò),影響其除霜效果。選擇除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布及其除霜性能的影響進(jìn)行CFD分析。2新一代cfd求解器STAR-CCM+是CD-adapco公司采用最先進(jìn)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù)開(kāi)發(fā)的新一代CFD求解器。軟件的一體化集成環(huán)境、高重復(fù)性和適用性是其被譽(yù)為新一代CFD軟件的最強(qiáng)閃光點(diǎn),目前廣泛應(yīng)用于汽車(chē)外流場(chǎng)、乘員艙舒適性、空調(diào)系統(tǒng)、除霜除霧性能和發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理等方面分析。2.1模型的構(gòu)建和網(wǎng)格的劃分2.1.1前懸架的模型研究對(duì)象由車(chē)廂內(nèi)部、除霜風(fēng)道、出風(fēng)格柵、風(fēng)窗玻璃和冰層組成。計(jì)算模型對(duì)車(chē)廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)作了簡(jiǎn)化,但除霜風(fēng)道的形狀、大小和尺寸未作任何簡(jiǎn)化,而且前擋風(fēng)玻璃已經(jīng)劃分好A區(qū)、A’區(qū)和B區(qū),在除霜風(fēng)道入口添加一個(gè)面,作為入口邊界,在車(chē)身尾部開(kāi)一個(gè)長(zhǎng)方形出口,出口的面積與入口的面積大致相等,這樣形成封閉的求解計(jì)算域。初步劃分各個(gè)面的網(wǎng)格,導(dǎo)出.nas格式文件后導(dǎo)入到STAR-CCM+,簡(jiǎn)化后的除霜分析模型如圖4所示。2.1.2求解域的體網(wǎng)格整個(gè)計(jì)算模型采用四面體網(wǎng)格,設(shè)置邊界層(除入口、出口之外):厚度為4mm,層數(shù)為3層,增長(zhǎng)比為1.5,得到求解域的體網(wǎng)格數(shù)量為6520245。2.2材料物理、參數(shù)和邊界條件的定義2.2.1空氣湍流模型計(jì)算中流體區(qū)的材料物性參數(shù)均為常數(shù),取默認(rèn)值,假定空氣為不可壓縮氣體,常密度,湍流模型為RealizableK-epsilon模型,空間離散采用二階迎風(fēng)差風(fēng)格式,迭代方式選用Simple算法。2.2.2試驗(yàn)測(cè)量計(jì)算邊界條件:(1)入口邊界為質(zhì)量流量入口:左除霜風(fēng)道入口體積流量為145.88m3/h,右除霜風(fēng)道入口體積流量為125.68m3/h,其值由HVAC風(fēng)量分配試驗(yàn)測(cè)量得到,速度均勻分布,方向垂直于邊界,溫度為300K;(2)出口邊界為壓力出口,取背壓,0Pa;(3)其他邊界為壁面邊界;(4)初始條件:速度為0m/s,環(huán)境溫度為300K。2.3穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析一般情況下,最有效的除霜方法是使熱風(fēng)在到達(dá)前擋風(fēng)玻璃后盡快地達(dá)到湍流流動(dòng),并且盡可能地覆蓋其內(nèi)表面,增加換熱面積,進(jìn)而增加換熱量。穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果可以用來(lái)判定氣流擊點(diǎn)位置和速度場(chǎng)分布是否合理,然后可以作為提出整改的依據(jù)。該款輕客除霜風(fēng)道模型(模型A)如圖5所示,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析,可以得到前擋風(fēng)玻璃的速度場(chǎng)分布,如圖6所示。由圖6看出,前擋風(fēng)玻璃中間區(qū)域風(fēng)速較大些,兩側(cè)風(fēng)速偏小或無(wú)風(fēng)經(jīng)過(guò)。2.4優(yōu)化后，除霜風(fēng)道穩(wěn)定2.4.1除霜風(fēng)道優(yōu)化意見(jiàn)由圖6模型A前擋風(fēng)玻璃的速度場(chǎng)分布可知,兩側(cè)風(fēng)速偏小,中間風(fēng)速較大,可以判斷,中間冰層融化快,兩側(cè)冰層融化慢。于是提出了除霜風(fēng)道優(yōu)化意見(jiàn),通過(guò)導(dǎo)流板的形狀、位置來(lái)減少中間出風(fēng)口風(fēng)量,增加兩側(cè)出風(fēng)口風(fēng)量,即:(1)左側(cè)導(dǎo)流板沿著內(nèi)壁向下延長(zhǎng)40mm;(2)中間導(dǎo)流板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定的角度,并與左側(cè)導(dǎo)流板相連接;(3)右側(cè)導(dǎo)流板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)25°。圖7為優(yōu)化后的除霜風(fēng)道模型(模型B)。2.4.2最佳前玻璃的速度分布圖8為該輕客除霜風(fēng)道優(yōu)化后前擋風(fēng)玻璃的速度場(chǎng)分布。由圖8可以看出,優(yōu)化后前擋風(fēng)玻璃兩側(cè)有風(fēng)經(jīng)過(guò),而且風(fēng)速達(dá)到2.5m/s,中間區(qū)域也有風(fēng)經(jīng)過(guò),其速度分布效果明顯好于優(yōu)化前的效果。2.5瞬態(tài)計(jì)算分析瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果可以直觀(guān)地對(duì)照除霜國(guó)標(biāo)而判定除霜性能是否合格,同時(shí)也是承啟穩(wěn)態(tài)計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證的必要步驟。選擇優(yōu)化后的除霜風(fēng)道模型B進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算分析。瞬態(tài)計(jì)算開(kāi)始前,分別拉伸前擋風(fēng)玻璃、左右側(cè)窗玻璃層5層,總厚度為5mm,增長(zhǎng)比為1。瞬態(tài)計(jì)算時(shí),設(shè)置霜層厚度為0.5mm,環(huán)境溫度為255K,設(shè)置玻璃和冰層物性為默認(rèn)值,計(jì)算2400s,步進(jìn)1s,每步迭代10次。選擇HVAC出風(fēng)溫度曲線(xiàn)作為計(jì)算域入口的溫度曲線(xiàn),圖9為HVAC出風(fēng)溫度曲線(xiàn)。在穩(wěn)態(tài)計(jì)算所得到的等溫流場(chǎng)分析基礎(chǔ)上,采用基于邊界熱流的經(jīng)驗(yàn)算法開(kāi)始進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算,圖10為優(yōu)化后除霜風(fēng)道不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)前擋風(fēng)玻璃的融冰圖。上述仿真分析結(jié)果可以看出:(1)12min時(shí),霜層開(kāi)始融化;(2)20min時(shí),A區(qū)霜層融化約30%;(3)25min時(shí),A區(qū)霜層融化約80%,A’區(qū)霜層融化約40%;(4)40min時(shí),B區(qū)的霜層全部融化。綜上分析結(jié)果可知,模型B除霜性能未達(dá)到國(guó)標(biāo)要求,但模型B除霜性能優(yōu)于模型A。3優(yōu)化前后前私家車(chē)內(nèi)的融霜面積除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)整改優(yōu)化后在環(huán)境艙按照GB11555—2009要求的環(huán)模進(jìn)行除霜試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證CFD仿真分析的準(zhǔn)確性、精確性,同時(shí)也驗(yàn)證其優(yōu)化后的除霜性能是否提升。圖11為該輕型客車(chē)在進(jìn)行環(huán)境艙除霜試驗(yàn)。在環(huán)境艙中進(jìn)行﹣18℃的除霜試驗(yàn),間隔5min描繪前擋風(fēng)玻璃融霜跡線(xiàn)圖。圖12為某輕型客車(chē)除霜風(fēng)道優(yōu)化后環(huán)境艙試驗(yàn)除霜效果圖。試驗(yàn)結(jié)果表明,10min時(shí),霜層開(kāi)始融化;20min時(shí),A區(qū)的霜層融化約20%;25min時(shí),A’區(qū)霜層融化約25%;40min時(shí),B區(qū)霜層融化約85%。該輕型客車(chē)除霜風(fēng)道優(yōu)化前后前擋風(fēng)玻璃除霜面積比例值見(jiàn)表2。由表2可以得知除霜風(fēng)道優(yōu)化后,其除霜性能得到顯著提升。對(duì)標(biāo)試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果,除霜前期15min,試驗(yàn)融霜速度明顯快于CFD計(jì)算的融霜速度;15min以后,剛開(kāi)始時(shí)CFD計(jì)算的融霜速度稍快于試驗(yàn)融霜速度,慢慢地越來(lái)越快,最后快了約5min。雖然時(shí)間上有些差異,但是從融霜趨勢(shì)和分布上來(lái)看,CFD計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果是基本相符的。4汽車(chē)雨林除霜性能優(yōu)化設(shè)計(jì)1)采用CFD方法通過(guò)求解乘員艙及除霜風(fēng)道等溫流場(chǎng)和