汽車除霜性能優(yōu)化分析

朱昌盛，張建立，李 靜

（北汽福田乘用車設(shè)計院，北京 102206）

汽車除霜性能優(yōu)化分析

朱昌盛，張建立，李 靜

（北汽福田乘用車設(shè)計院，北京 102206）

汽車除霜性能是汽車安全的重要指標(biāo)之一，利用軟件STAR-CCM+對某車型的除霜系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化計算，應(yīng)用穩(wěn)態(tài)計算得到前風(fēng)窗和左右側(cè)窗上的氣流速度分布，并據(jù)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最后利用瞬態(tài)分析驗(yàn)證了優(yōu)化后的方案滿足設(shè)計要求。

STAR-CCM+；除霜；優(yōu)化；穩(wěn)態(tài)；瞬態(tài)

0 引言

汽車的擋風(fēng)玻璃除霜性能是汽車設(shè)計的重要安全指標(biāo)之一。良好的除霜性能不僅能夠滿足國家對汽車除霜的法規(guī)要求，還能提升消費(fèi)者的滿意度進(jìn)而提升產(chǎn)品競爭力。我國汽車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定試驗(yàn)開始20min后，A區(qū)域有80%已完成除霜；試驗(yàn)開始25min后，A′區(qū)域有80%已完成除霜；試驗(yàn)開始40min后，B區(qū)域有95%已完成除霜[1]。除霜區(qū)域劃分如圖1所示。

圖1 除霜區(qū)域劃分示意圖

利用CFD方法對除霜系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化是近年來各大主機(jī)廠廣泛采取的方法。該方法可以通過仿真計算模擬乘員艙內(nèi)氣流的流動，能夠觀察到復(fù)雜流場的流動特性以及得到任意位置的流速、溫度以及壓力等參數(shù)[2]。瞬態(tài)模擬可以得到乘員艙內(nèi)的溫度變化以及除霜效果隨時間的變化圖，可以做成動畫增加直觀感知力。這種方法可以避免傳統(tǒng)設(shè)計方法中的缺陷，降低開發(fā)成本，因而得到了廣泛的應(yīng)用[3,4]。

本文利用Hypermesh建立某轎車除霜系統(tǒng)和乘員艙面網(wǎng)格模型，然后將網(wǎng)格模型導(dǎo)入計算分析軟件STARCCM+中進(jìn)行體網(wǎng)格劃分[5]。通過進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算可以得到擋風(fēng)玻璃上的流速分布以及乘員艙內(nèi)的流線圖，依據(jù)分析對原設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，直至速度分布滿足一定的要求，然后對優(yōu)化方案進(jìn)行瞬態(tài)分析，驗(yàn)證除霜效果是否滿足要求[6,7]。

1 模型建立

1.1 前處理

將乘員艙以及除霜系統(tǒng)幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)入Hypermesh中，取幾何模型的最大內(nèi)表面進(jìn)行處理，忽略一些比較小且不重要的特征，縫補(bǔ)縫隙等。然后進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸取16mm左右，最小網(wǎng)格尺寸為2mm左右。最終得到面網(wǎng)格模型和除霜系統(tǒng)模型分別如圖2、圖3所示。

圖2 乘員艙網(wǎng)格模型

圖3 除霜風(fēng)道系統(tǒng)網(wǎng)格模型

將該面網(wǎng)格以.nas格式保存，然后導(dǎo)入STARCCM+中。在STAR-CCM+中對各組進(jìn)行命名，檢查面網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置劃分體網(wǎng)格類型以及相關(guān)的尺寸，進(jìn)行體網(wǎng)格劃分。本文采用四面體網(wǎng)格，邊界層為4層，總厚度為8mm。最終得到的體網(wǎng)格數(shù)量約為一千萬左右。待體網(wǎng)格生成以后，檢查體網(wǎng)格質(zhì)量，刪除一些質(zhì)量較差的網(wǎng)格。

1.2 邊界條件的設(shè)置

假設(shè)空氣為不可壓縮氣體，采用k-e湍流模型，計算邊界條件如下所示：

1）入口為流量邊界條件，流量為400kg/h；

2）出口為壓力出口，1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境溫度為-18℃；

3）空調(diào)濾芯及蒸發(fā)器均設(shè)置為多孔介質(zhì)，其阻力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合；

4）穩(wěn)態(tài)計算2000步，瞬態(tài)計算時設(shè)置冰層厚度為0.5 mm，計算總時間為1200s，時間步設(shè)置為1s，每步迭代5次。

2 初版數(shù)據(jù)計算分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，氣流在玻璃上流速超過1.5m/s時就可以達(dá)到理想的除霜效果，因此在優(yōu)化過程中先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算分析判斷整體除霜效果是否能滿足要求。初次計算結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 前風(fēng)窗速度分布

圖5 左側(cè)窗速度分布

圖6 右側(cè)窗速度分布

圖7 前風(fēng)窗速度流線圖

觀察前風(fēng)窗速度分布可以看出，氣流落點(diǎn)偏低位于B區(qū)下邊附近，導(dǎo)致A和A'區(qū)域的氣流速度達(dá)不到要求，因此需對中央除霜出口格柵進(jìn)行優(yōu)化。考察左側(cè)窗，落點(diǎn)偏低，考慮將左側(cè)出口格柵進(jìn)行優(yōu)化。由于右側(cè)窗的速度分布基本合理，故暫不對右側(cè)進(jìn)行修改。

3 首輪優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上面計算結(jié)果，前擋風(fēng)玻璃上的落點(diǎn)位置較低，考察中央除霜格柵結(jié)構(gòu)（圖8）可以看到，內(nèi)側(cè)壁面上有缺口，導(dǎo)致氣流進(jìn)入除霜風(fēng)道之后直接沖到了B區(qū)下邊緣，格柵失去了導(dǎo)向作用。進(jìn)一步考慮到格柵中間橫板一側(cè)也有缺口，為避免氣流經(jīng)此缺口產(chǎn)生回流將此處缺口和格柵內(nèi)側(cè)壁面上的缺口一并補(bǔ)齊。優(yōu)化后的數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 原格柵

圖9 優(yōu)化后的格柵

觀察氣流速度分布圖和流線圖可以看到，A區(qū)左下角和A'右下角氣流速度高，中間的氣流速度較低；格柵出口氣流流速分布亦然。考察分風(fēng)管的結(jié)構(gòu)（圖10）并結(jié)合流線圖，發(fā)現(xiàn)分風(fēng)管背后的凹坑使氣流在此處被壓向分風(fēng)管的兩側(cè)，導(dǎo)致氣流兩側(cè)流速高中間低，因此優(yōu)化的思路是將背后的凹坑補(bǔ)平，并優(yōu)化分風(fēng)管外側(cè)的兩側(cè)面。考慮到分風(fēng)管的結(jié)構(gòu)，直接補(bǔ)齊凹坑會導(dǎo)致中間氣流流量增大，進(jìn)而減弱兩側(cè)的氣流，在內(nèi)部通道上添加導(dǎo)流板，保證兩側(cè)的流量。優(yōu)化后的數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖10 原分風(fēng)管結(jié)構(gòu)

圖11 優(yōu)化后的分風(fēng)管結(jié)構(gòu)

左側(cè)窗的落點(diǎn)位置偏低，考慮將格柵葉片偏轉(zhuǎn)一定角度改變氣流方向。結(jié)合格柵結(jié)構(gòu)將葉片角度向上旋轉(zhuǎn)5°作為左側(cè)出口格柵的優(yōu)化方案。優(yōu)化前后對比（淺色為優(yōu)化之前的數(shù)據(jù)，深色為優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)）如圖12所示。

圖12 左側(cè)格柵優(yōu)化前后對比圖

3.2 首輪優(yōu)化計算

通過對以上優(yōu)化方案的重新計算，計算結(jié)果如圖13～圖16所示。

圖13 前風(fēng)窗速度分布圖

圖14 左側(cè)窗速度分布圖

圖15 右側(cè)窗速度分布圖

圖16 前風(fēng)窗速度流線圖

經(jīng)過初次的優(yōu)化，前風(fēng)窗上的速度分布較優(yōu)化前更合理，A'區(qū)的速度分布較為理想，但是A區(qū)最左邊仍有一小塊區(qū)域速度較低，考慮到駕駛側(cè)是重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，必須對左側(cè)再進(jìn)一步的優(yōu)化；左側(cè)窗在優(yōu)化之后速度分布滿足設(shè)計要求，因此左右側(cè)窗不再進(jìn)行優(yōu)化。考察流線圖可以發(fā)現(xiàn)，分風(fēng)管氣流分布基本合理，沒有比較明顯的渦流產(chǎn)生，因此分風(fēng)管不再進(jìn)行優(yōu)化。接下來對前除霜做格柵單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化。

4 第二輪優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過上一輪的優(yōu)化，左右側(cè)窗速度分布基本滿足要求，前風(fēng)窗A區(qū)仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。考察駕駛側(cè)的流線圖可知，流經(jīng)中央除霜格柵最左側(cè)兩個孔的氣流向左偏斜太多，導(dǎo)致較多高速氣流吹向A柱方向，只有較少氣流吹到了目標(biāo)區(qū)域的玻璃上，因此，考慮將最左側(cè)的兩個葉片向右偏轉(zhuǎn)5°，其優(yōu)化前后格柵數(shù)據(jù)對比如圖17所示。

圖17 優(yōu)化前后對比圖

在上圖中，淺色為優(yōu)化之前的數(shù)據(jù)，深色為優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)。

4.2 第二輪優(yōu)化計算

按照優(yōu)化方案重建計算模型，重新進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，計算結(jié)果如圖18～圖21所示。

圖18 前風(fēng)窗速度分布圖

圖19 左側(cè)窗速度分布圖

圖20 右側(cè)窗速度分布圖

圖21 前風(fēng)窗速度流線圖

觀察以上計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過本輪的優(yōu)化，A區(qū)和A'區(qū)速度分布較優(yōu)化前更好。綜合來看經(jīng)過兩輪優(yōu)化，穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果已經(jīng)滿足了設(shè)計要求，接下來需要對該方案數(shù)據(jù)進(jìn)行瞬態(tài)計算來驗(yàn)證除霜效果是否滿足設(shè)計要求。

5 瞬態(tài)分析

在以上穩(wěn)態(tài)計算的基礎(chǔ)上修改計算模型進(jìn)行瞬態(tài)分析計算，設(shè)置相關(guān)的邊界條件和時間步長。20min后冰層厚度分布如圖22～圖24所示。

圖22 前風(fēng)窗冰層厚度分布圖

圖23 左側(cè)窗冰層厚度分布圖

圖24 右側(cè)窗冰層厚度分布圖

前風(fēng)窗各時刻冰層厚度分布如圖25所示。

圖25 前風(fēng)窗各時刻冰層厚度分布圖

觀察圖22～圖24可以看出，在20min時，A區(qū)和A'區(qū)的冰層已經(jīng)完全化去，B區(qū)也基本完全化去，只有左下角和右下角有少量殘留。左右側(cè)窗關(guān)心區(qū)域內(nèi)的冰層已經(jīng)完全化去。通過瞬態(tài)分析結(jié)果可以確定，經(jīng)過優(yōu)化后的除霜系統(tǒng)的除霜效果滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)論

本文利用STAR-CCM+對除霜系統(tǒng)進(jìn)行了計算，并依據(jù)計算結(jié)果對除霜的出口格柵和分風(fēng)管等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，然后進(jìn)行了瞬態(tài)計算，計算結(jié)果表明優(yōu)化后的除霜系統(tǒng)的除霜效果滿足設(shè)計要求。

[1] GB11555-2009,汽車風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能要求及試驗(yàn)方法[S].

[2] 訾昌路.基于STAR CCM+的汽車除霜CFD優(yōu)化[A].CDAJ-China中國用戶論文集[C],2011.

[3] 許志寶.汽車空調(diào)除霜風(fēng)道分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[A].CDAJ-China中國用戶論文集[C],2010.

[4] 梁長裘.汽車空調(diào)除霜性能研究[A].CDAJ-China中國用戶論文集[C],2011.

[5] STAR-CCM+幫助文檔[Z].

[6] 張英朝.汽車空氣動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2011.6.

[7] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理分析與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2008.

The optimization and analysis of vehicle deicing system

ZHU Chang-sheng, ZHANG Jian-li, LI Jing

TB131

A

1009-0134(2016)12-0004-05

2016-07-22

朱昌盛（1987 -），男，河南人，碩士，研究方向?yàn)槌擞密嘋FD仿真，包括整車空氣動力學(xué)計算與優(yōu)化，發(fā)動機(jī)艙熱管理計算及噪聲分析等。