基于STAR-CCM+的汽車除霜風道CFD分析及優化

王春海，劉永強

（保定長安客車制造有限公司，河北 定州 073000）

作為汽車在寒冷環境下行駛時對駕駛員視野、行車安全的必要保障，空調系統除霜除霧性能是整車開發中一項重要的指標。

傳統的除霜風道及出風口設計主要依賴于經驗的積累。該方法的不足之處在于：對風道內部結構設計不甚了解；對氣流流動情況不清楚；設計沒有理論依據，而且要借助大量的試驗驗證。導致設計周期長，試驗費用高，風道設計復雜且可靠性差［1］。利用CFD分析技術，能夠明確研究方向，縮短研發周期，減少反復試驗浪費的人力物力財力。

作者以某型MPV的除霜風道系統為例，通過對風道內部的速度場和壓力場進行CFD（使用STAR-CCM+軟件）分析，分析風道內部結構對風道風量分配及風窗表面流速的影響，提出了一些改進方案并與原來設計進行比較。這對設計和優化除霜風道，有著重要的工程價值和意義。

1 空調除霜系統介紹

空調系統除霜是利用HVAC噴射出的暖風對玻璃進行加熱，經過熱量的傳遞，使玻璃表層的冰層逐漸熔化，從而達到恢復駕駛員視線，避免因視線受阻引起交通事故的目的。

中國汽車試驗標準GB11555－2009中對除霜除霧系統的性能有著嚴格的規定，該標準要求20 min時A區冰層除盡區域占A區面積的80%以上，25 min時A′區冰層除盡區域占A′區面積的80%，40 min時B區冰層除盡區域占B區面積的95%以上。且10 min除盡A區90%、B區80%的霧層。

2 理論基礎

風道系統的CFD分析基于質量、動能、能量守恒的3個基本傳遞方程。對于處于湍流模式下的不可壓縮性流體采用標準k-ε兩方程模型。標準k-ε模型是個半經驗公式，主要是基于湍流動能k和擴散率ε。k方程是個精確方程，ε方程是由經驗公式導出的方程［2］。

湍流動能k輸運方程：

湍流耗散率ε輸運方程：

式中：Gk——由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；Gb——由浮力引起的湍動能k的產生項；YM——可壓湍流中脈動擴張的貢獻；C1z、C2z、C3z——經驗常數；σk、σz——與湍流能k和耗散率對應的Prandtl數；Sk、Sz——用戶定義的源項。

3 原始模型分析

3.1 網格劃分

提取除霜風道系統的流體計算區域，并對乘員艙的內CAS模型進行必要的簡化處理，最終形成封閉的流體區域，如圖1所示。

圖1 流體區域模型

在hypermesh里生成三角形面網格，再利用STAR-CCM+進行體網格劃分，采用多面體網格模型，并對風道、前風擋玻璃、側風窗、格柵附近進行網格局部加密。

3.2 邊界條件

流體介質為空氣，采用穩態CFD分析，進口為質量流量進口，流量為0.1361 kg／s （400 m3／h），進口流量為實測值；出口為壓力出口，0 Pa。

3.3 評價標準

除霜除霧性能主要從前擋和側窗近壁氣流速度分布情況直觀反映，因此需重點關注這兩個量，優良的風量分配能夠同時確保前除霜和側除霜都達到理想的效果，同時管路的壓力損失過大會致使總風量下降，影響實車除霜除霧性能，所以壓損應控制在合理范圍。

根據試驗數據及經驗確定，風窗玻璃氣流速度分布及風量分配的評價標準見表1。

表1 分析評價標準

3.4 原始模型分析結果

經計算，原始模型的前擋風玻璃的氣流速度分布見表2，分風比例見表3，除霜系統壓損見表4。

表2 風窗氣流速度分布表

表3 出風口分風比例

表4 除霜系統壓損

從表2可以看出，A區、A′區、B區的氣流速度分布滿足目標值，但L區、R區氣流速度分布不滿足目標值，且相差較多；從表3看出，分風比例方面，中右出風口分風略高于目標值，其余出風口分風比例滿足目標值；除霜系統壓損滿足目標值。

左、右側風窗玻璃表面氣流速度分布如圖2所示。從圖2看出，左右側風窗氣流落點較高，導致L區和R區的氣流速度較低。

圖2 左右兩側風窗玻璃氣流速度分布圖

3.5 優化設計CFD分析

鑒于以上分析結果，在原風道基礎上，提出一些優化設計方案。

1）如圖3所示，將除霜風道分岔處向副駕駛方向移動，并提前分岔，目的是增加中左和左側窗風口出風量。

圖3 除霜風道改進前后對比圖

圖4 左側側除霜風道改進前后對比圖

2）如圖4所示，將左側側除霜風道的弧度變小，并改變出風口格柵的角度，目的是改變該出風口氣流的落點，使其落在L區。右側側除霜風道改進方法與此相同，如圖5所示。

圖5 右側側除霜風道改進前后對比圖

改進后的風道風窗表面速度分布、分風比例見表5、表6。

表5 風窗表面速度分布

表6 分風比例

通過表5、表6可以看出，優化后模型的左右側風窗氣流速度分布有大幅度改善，達到了目標值；中右出風口的分風比例由稍高于目標值降到了目標值范圍內，達到了要求。

改進模型的左、右側風窗氣流速度分布如圖6所示。

圖6 改進模型左右側風窗氣流速度分布

通過圖6看出，L區、R區的氣流速度全部達到2 m／s，左右側出風口的氣流都落在了L區和R區上，有利于除霜除霧。

4 結論

通過對某車型除霜系統進行CFD分析，得到以下結論。

1）對除霜系統進行穩態CFD分析，能夠得到風窗表面氣流速度分布及各風口分風比例，有利于評估和改進除霜性能。

2）通過改變側除霜風道的走向和格柵的形狀，能夠明顯改變氣流在側風窗上的落點，從而改善除霜性能。

3）通過改變中央風道分岔處的位置，能夠改變左右側出風口的分風比例，從而改善除霜性能。