某型S U V整車除霜優化設計研究

王 偉，彭 婧，張 涵，韋祖武

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州45007）

0 引言

近年來國內SUV車型產銷兩旺，各大車企紛紛加大對該車型的研發投入，添加配置和提升用戶體驗成為各大車企新的決斗場。整車除霜除霧性能分析作為提升用戶體驗特別是提升寒冷天候下消費者感知質量的方案被各大整車制造商所關注。1997年Brewster Robert等人首次使用了焓方法和共軛數值仿真方法與試驗對比證明了穩態除霜風管風速仿真的可行性[1]。Haribalan Kumar等人對除霜射流與前擋風玻璃接觸角對擋風玻璃風速分布的影響進行了試驗研究，并取得了積極的成果。2010年Unverdis和他的團隊提出了在除霜風量不足的情況下使用電熱絲補熱的方式給客車擋風玻璃除霜的解決方案[2]。前人所做的工作大多數是成品車完成之后分析試驗現象對除霜風管風速和流量分配進行改進或者在玻璃處附加熱源達成目標，而這不可避免的造成設計反復，造成重復試驗，影響開發周期。

本文以上汽通用五菱某款SUV車型整車除霜性能設計為研究對象，探索通過使用計算流體力學、傳熱學仿真對整車除霜性能進行拓撲優化設計的方法。在對除霜風管和乘員艙熱環境模擬的基礎上，通過瞬態數值計算和試驗驗證等途徑，解決了掣肘整車前擋、側窗視野區除霜效果不理想的問題，為設計需要提供理論和數據支持。

1 理論基礎

分析對象為一款SUV車型，空氣在汽車前艙中的流動以湍流為主，故采用湍流模型描述前艙和底盤的空氣流動狀況[3]。寫成笛卡爾坐標系下張量形式的控制方程如下：

連續性方程：

動量方程：

其中，ρ為流體密度；ui為速度分量；μ為動力粘度；p為流體微元體上的壓力。

近壁面湍流模型采用Fluent軟件近壁面模型[4]，不求解層流底層和混合區，采用半經驗公式（壁面函數）來求解層流底層與完全湍流之間的區域。

將雙層設為一種流體域，相變過程由溫度控制，液相率σ表征其融化狀態：

其中TS為固相溫度；TL為液相溫度；σ=1表明霜層完全融化。

玻璃內外表面之間的熱傳導系數計算公式為：

其中，λ為導熱率數據，出現負值表示傳熱方向與溫升方向相反，W/（m·℃）；T1、T2分別表示玻璃內外表面溫度；x表示玻璃厚度；q為乘員艙內除霜流場的熱量輸入；t表示時間變量。

假設霜層溶化成液態后即不影響視野，考慮除霜時能量傳遞路徑為乘員艙內除霜氣流到玻璃表面到霜層再到整車外部寒冷氣流帶走整個過程的熱能平衡方程：

式中：m˙為融化的霜層質量，kg；hs·（Tr）為霜層的焓，J/kg；q為乘員艙內除霜流場的熱量輸入，J；hL·（Tf）為霜融成水后的焓，J/kg；Cvol為參與除霜的熱量占總熱量的能量系數。

將公式（6）與公式（7）耦合解算，理論上可得到霜層厚度S隨時間變化的動態結果：

其中，ρvol為霜層的體積分數。將動態結果與國標或更嚴苛的企標要求作比較，得出相應的除霜效果在時域上的表現。當使用有限體積法對除霜全過程進行分析時，預期得到時域上的除霜效果云圖。

2 仿真分析

2.1 數學模型

設計初期欲在有限的空間內布置除霜風管，使其獲得一個較小的流阻值，通過GT-SUITE一維仿真搭建模型，獲得最初設計狀態的管路中心線形狀和尺寸參數，一維管路模型搭建如圖1所示。

圖1 一維管路模型搭建圖

考慮空調箱體和暖風機內部部件設置的復雜性，在進行整車除霜仿真分析中采用商用一維軟件GT-SUITE提供的管路流場計算方法，使用空調箱、暖風機出口臺架實測提供的暖風機除霜支路的質量流量和溫度隨時間變化的曲線作為入口邊界。

加載到搭建好的一維管路流場模型中，對管路截面基本參數進行優化設計。使用優化軟件Isight對設計模型進行單目標多變量的優化運算得出結果。由于優化時結果不能為0或負值，故設定最小長度為1 mm，最小角度單位為0.5°，管路有最小流動阻力為80.6 Pa.

除霜管路截面分析模型的搭建是整車除霜性能匹配的的先決條件，根據布置情況和除霜暖風流量要求調整管路截面關鍵設計參數是整車除霜瞬態分析和除霜性能優化的前提。根據仿真結果影響流動阻力和流向的關鍵參數是暖風機出口處彎管的轉彎半徑和轉向角度，在這里影響因素為正值表針該特征值變大流動特性就隨之變差。最終得到管理截面中心線理想位置如圖2所示，將風管設計調整到該接近理論中心線位置完成前期數學模型調試。

圖2 一維管路優化數據

2.2 仿真結果及分析

環境大氣壓P=101.325 kPa，環溫及車內初始溫度T=255.15 K，不考慮太陽輻射影響，設定車速為40 km/h（冷空氣來流風速），暖風流量和風溫來自臺架試驗按GB11562要求設定駕駛員視野A、A′、B區且霜層厚度滿足國標GB11555要求，熱力學分析所需的玻璃材料類型，包括密度、導熱系數、比熱容、固體厚度等根據試驗數據定義。

通過對數值流場仿真結果的后處理，得到乘員艙除霜流場的速度流線，表針暖風機出口的高溫氣流在擋風玻璃上的流速和流向（其中暖色為高速，反之為低速），如圖3所示。B區中上部出現明顯的低風速區，A區駕駛員側出現兩股氣流的分差區。暖風無法覆蓋的區域只能通過周圍玻璃熱傳遞能量，傳遞的熱能有限對除霜性能造成影響。

圖3 擋風玻璃處速度流線

3 結構優化

針對仿真分析中原始設計方案暴露出來的A區駕駛員側出現兩股氣流的分差區、B區中上部出現明顯的低風速區的問題，嘗試采用一般做法，即在除霜風管增加導流片數量，增大導流長度，改變導流片位置等方法來解決。但由于除霜風管出口射流在前擋玻璃上近壁面流動的復雜性，導流片對風速覆蓋率的影響需經反復調整、驗證再調整。為了使暖風參與除霜的效果最大化，將導流片長度和數量作為基本變量樣本，使用優化軟件反饋控制網格變形軟件構建田口矩陣樣本模型，其中對空間采樣點進行離散化使樣本空間邊緣得到覆蓋，再對靠近中部和流動弱側（駕駛員側）的導流片試驗樣本進行設計如圖4所示。

圖4 風管D O E優化模型示意圖

獲得前擋風玻璃上最優的風速分布后，對裝備該導風片的風管最優解方案進行整車除霜瞬態分析，得到時域上的除霜效果云圖，如圖5所示。其中云圖顏色表示霜層厚度，淺色代表霜層厚度大，深色表示霜層厚度小，由圖可知15 min后A區融化體積分數為100%、A′區融化霜層體積分數達到84%，B區除霜面積達到87%，優化后除霜效果符合設計要求，如圖6所示。

圖5 最終結果擋風玻璃暖風風速分布

圖6 優化前后表面溫度云圖

通過上面的優化發現，由于SUV車型前擋傾斜角較小、視野區較高、擋風玻璃面積大等因素的影響，較少的導風片有利于前擋風速的均勻分布，暖風氣流弱側（駕駛員側）由于氣流流量小，較短的導風片能夠減小暖風氣流流動的損失，防止流動死區和渦流的產生，避免吹到前擋風玻璃上的氣流分股，影響暖風覆蓋。

4 試驗驗證

4.1 試驗結果

模擬低溫環境艙熱平衡工況的整車除霜試驗中，按標準分別劃定視野A、A′、B區后，為了將仿真分析結果與試驗結果進行對比分析，驗證整車除霜仿真方法的可行性和優化方案的實用性，原模型低溫試驗結果與優化后試驗結果對比，如圖7所示。為了方便對比，在這里將優化方案的低溫環境艙除霜結果車外拓片做了鏡像與原始模型圖A、A′區保持一致。可以看到原始模型由于暖風氣流分股，致使駕駛員側左上角區域除霜效果不理想；而優化后整車除霜效果顯著提升，在風量不變的情況下15 min時A、A′、B區除霜效果均已超過80%，20 min幾乎全部除完，滿足設計要求，提升了用戶體驗。

圖7 環境艙試驗結果

4.2 誤差分析

試驗樣車在低溫試驗艙完成了整車除霜測試，試驗結果較好。如圖8中所示，試驗結果與仿真值在5 min、10 min兩個點上霜層分布擬合較好，而10 min～15 min除霜試驗中霜層的融化速率略高于仿真結果。考慮到試驗前結霜噴壺殘液致使霜層厚度略薄于設計值，試驗員70 g/h的呼吸量被忽略等原因對比結果表明霜層體積分數結果的最大誤差在12.6%以內，仿真分析結果的趨勢是正確的，驗證了分析方法的可行性。

圖8 B區霜層體積分數的仿真與試驗值對比圖

5 結論

利用計算流體力學結合工程熱力學理論對某SUV車的整車除霜性能進行了瞬態仿真和優化嘗試，結論如下：

（1）優化后前擋風玻璃表面暖風分布有了顯著提升，15 minA區融化霜層體積分數達到100%，A′區融化霜層體積分數達到84%，B區融化霜層體積分數達到87%，滿足20 minA區80%的要求，除霜效果顯著提升；

（2）試驗驗證了優化方案的可行性，對比結果表明仿真和試驗中測點表面溫度的最大誤差在12.6%以內，仿真結果的趨勢正確，仿真分析方法對設計開發有著一定的指導作用；

（3）運用除霜流場瞬態分析和DOE優化的方法的結合實現整車除霜分析，可以在設計開發中期對SUV車型低溫工況下的除霜性能進行直觀的描述和有效地評估，簡化開發流程，減少試驗次數，對于提升駕乘主觀感受、保障行車安全性、消除安全隱患等方面都具有積極的指導意義。