基于CFD的某商用車HVAC除霧性能分析及優化

莫榮博

【摘 要】為了解決客戶提出改善某重型商用車駕駛室前擋風玻璃除霧性能的問題，基于流體力學、傳熱學理論建立駕駛室機艙模型，通過CFD數值模擬分析方法，研究并分析室內流場環境，獲得空調系統（HVAC）除霜除霧的主要影響因子。提出散點分布速度測試方案，結合風速儀器探究室內流場真實環境，論證空調系統的除霜除霧能力，驗證建模與仿真分析的有效性和準確性，結果表明仿真分析與試驗結果基本吻合，最后通過優化出風口提升除霧性能，為汽車風窗除霧提供了有效的試驗方法與設計依據。

【關鍵詞】數值仿真;流場;CFD;除霧性能;除霧試驗

【中圖分類號】U463.851 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0056-03

汽車作為人們出行的重要交通工具之一，其安全性至關重要，而車輛前窗結霜或結霧將直接影響汽車的正常實用和行駛安全性。因此，各國都將除霜作為汽車性能的一項重要指標，并出臺相應的法規、標準。我國國家標準《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統的性能和試驗方法》（GB 11555—2009）也要求在規定的時間內除掉一定范圍內的積霜積霧[1]。目前，對于車輛除霧性能的研究主要集中在小轎車和輕型客車方面。隨著物流業的高速發展，市場對重型卡車的需求日益增大，對于重型卡車除霧性能的研究和應用也逐步得到重視[2]。而前擋風玻璃除霜除霧效果與HVAC的設計和性能息息相關，傳統商用車前擋風玻璃的除霧風道設計主要參考國外同類產品，同時結合自身經驗進行設計，再通過試驗完成驗證。該方法無法了解風道內部空氣流動及出風在風窗玻璃近壁面速度分布情況，而且設計周期長、試驗費用高[3]。

隨著計算機輔助設計應用的成熟和推廣，數值模擬分析手段逐步應用于HVAC空調系統設計，并在其早期開發和優化與改進中得到應用[4]。然而，重型商用車駕駛室流場環境目前并無明確的測試方法，主要參照《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統的性能和試驗方法》，通過環模試驗進行對汽車空調除霜除霧性能試驗，依據相關結論來簡單評估室內流場環境，但該標準適用范圍僅局限于M1類車型，對N類載貨汽車沒有相應標準[5]，僅依靠該標準進行評估，難以滿足重型商用車除霜除霧性能測試，而且在設計開發之初無法獲取室內環境參數，后期改動則耗費大量成本與增加開發周期[6]。

本文結合客戶提出問題，基于湍流動能耗散、液-汽相變等相關理論基礎，通過三維軟件建立駕駛室模型，采用CFD軟件對駕駛室風窗進行除霧仿真分析，快速、準確、直觀地觀察風窗的除霧情況，捕捉流場流動細節，同時探究重型商用車駕駛室室內流場環境實驗新方法，提出散點分布速度測試法，對仿真結果進行實測驗證，最后對出風口進行優化，大大提高了空調系統的除霜除霧效果。

1 理論基礎

重型商用車因前擋玻璃面積區域相對較大，即便除霜除霧風口與前擋夾角角度較小，要除盡汽車前擋風玻璃頂部也有一定困難。而且，商用車右下角為視野盲區，右上方存在下視鏡，所以對于副駕駛員座位前端玻璃A'區內的除霜除霧要求與駕駛員前端玻璃A區是一致的，區域劃分根據《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》（GB 11562—2014）確定[7]。

汽車駕駛室內氣體流動可視為氣體的湍流流動，它是一種無規律的流體流動狀態，具有很高的復雜性。目前，只能采用數值模擬方式模擬一些形態簡單的湍流現象。考慮精確性和計算效率，用得最多的就是k-ε模型，該模型引入了關于湍流動能k和湍流動能耗散ε的方程[8]。

2 模型建立與仿真分析

2.1 模型建立及邊界條件設定

根據售后收集客戶建議，提出研究東風柳州汽車有限公司改善某重型商用車駕駛室前擋風玻璃除霜除霧性能、提升夏天駕乘人員熱舒適性的問題。本文通過建模仿真和試驗驗證，找出問題原因，并進行優化改進。首先，采用三維建模軟件CATIA建立同一車型包含駕駛室內飾、鈑金、儀表總成、HVAC空調系統及假人數模的汽車駕駛室簡化模型，保持零部件的表面特征。將數模導入CFD軟件，采用多面體網格對數模進行劃分，在出氣格柵、玻璃面區域進行局部加密，以提高收斂性和計算精度，總網格數量約1 691萬。

計算采用速度入口、壓力出口和壁面3種流動邊界條件，并按表1設置計算邊界初始條件參數。

2.2 穩態仿真分析結果

在非穩態分析前，要對駕駛室室內流場環境進行分析，以了解室內流場矢量分布情況。分析時選擇吹面吹風模式，同時封閉除吹面出風口外的所有出口，采用模型及穩態算法，進風量為風機調至最大擋時的風量。進行室內穩態流場分析，得到駕駛室室內流場流線及速度矢量圖（如圖1所示）。

從圖1中室內流場分析，可直觀地看出吹面模式下駕駛室室內吹面流場分布，發現風道及導流板結構的不合理造成各出風口分風比不均勻，空氣從HVAC總成到出風口的過程中形成多處渦流，引發渦流損耗，尤其在中間兩個出風口入口處更為明顯。駕駛員左側風速較大，風量分配不均勻，對駕乘人員熱舒適性造成一定影響，臥鋪區域的風量較小，容易造成過熱，進一步驗證了售后反映問題。因此，需對風道進行優化改善。

將分析模式更換為非穩態除霧模式，加入了時間步長對室內除霧性能進行非穩態分析，得到某時刻的駕駛室內風窗除霧瞬態效果圖（如圖2所示）。

圖2為10 s、120 s、300 s和626 s時的除霧效果，其中深藍色區域為霧層厚度為0的區域，表明該處已完成除霜。從圖2中可以看出，在10 s時，吹向玻璃表面的暖風開始發揮除霧特性，即將出現深藍色區域;在120 s時，A區、B區和A'區差不多除去1/3;在300 s時大部分區域將霧層除盡，但區側明顯還有一條痕跡，影響駕駛員的視線;第626 s時，霧層除盡，除霧時間滿足國家強制標準，但駕乘人員的體驗效果仍有改進空間。

提取前擋風玻璃弧面附近的速度流線分布圖（速度≥1 m/s）和溫度云圖，如圖3（a）和圖3（b）所示，對照圖2可以看出，在A'區除霧效果明顯較差，其原因是空調系統除霜除霧能力效率與速度大小分布呈正相關，低風速區域的除霜除霧效果較差，出風溫度高的底部除霧速率更快。A'區位置因設計儀表臺時未充分考慮室內流場狀況，接合處無出風口而導致除霧效果不佳。因此，需要優化出風口，提高A'區的除霧能力。

3 駕駛室流場環境測試

3.1 測試方案

為快速驗證上述仿真分析結果的準確性，本文選擇一臺功能齊全、正常工作的樣車進行散點分布速度測試試驗。在駕駛室室內前擋風玻璃及側窗玻璃表面進行測試區域劃分與測點布置，做出一個矩形區域，測試如圖4所示;車輛為定置狀態，空調擋位依次從1擋調至4擋，探測器垂直于風窗測點，旋轉，尋找到風速最大的角度后測試每個擋位下測點的最大速度，并進行記錄。

3.2 測試結果分析

篩選最大空調擋位4擋時的測點風速實驗數據，按測點區域整理成風速分布表，并根據風速大小標記相應的顏色，對比仿真分析速度分布云圖（如圖5所示）。

從圖5可以看出，仿真分析結果的速度分布與實測的基本一致，誤差在10%以內，進一步驗證了仿真結果的有效性。

通過模擬分析該重型商用車內部流場環境，結果表明儀表臺上出風口設計不合理導致出風流線分布不均，除霜除霧性能不佳，對試驗樣車的實測數據與云圖對比，該處的風速遠小于需求風速，可快速準確得出室內流場環境參數，以評估空調系統的相關性能，規避產品缺陷。

4 措施整改驗證

基于上述仿真和試驗對標分析，在風道設計過程中充分考慮如何提高出氣口出風速度、合理分配風量、減少流動死區盲區及提高出風溫度以提升除霜除霧速率與效果。本文基于流體力學等相關理論基礎對除霜除霧出風口進行優化，得到連續型一體式格柵出風口，該出口接合處不再有遮擋。同時優化了出風角度，減少了管道渦流損耗，使各出風口的出風量變得均勻，優化后出風角度與前擋玻璃達到了30°。沖擊點位置剛好落在與儀表臺平面平齊位置，增強了空氣與玻璃的傳熱效率，達到最優的除霜除霧視覺效果。

在盡量進行最小設計變更之后，實行實車安裝，并對優化后的重型商用車駕駛室進行環模試驗測試，結果表明，除霧線跡在第4分鐘左右，A區和A'區除霧面積超過90%，各出風口出風均勻，不存在低效區，第5分40秒，前擋霧層除盡，前擋玻璃各區域基本都達到要求，整個效率比之前提高了將近1倍。

5 結論

（1）通過運用CFD分析軟件對駕駛室內流場環境進行模擬仿真，可以直觀了解汽車室內流場環境及除霜除霧相變過程，找出設計缺陷，最大限度地規避風險，有益于在產品開發之初了解其特性，縮短開發周期，提高汽車產品設計成功率。

（2）通過實車散點分布速度測試試驗，獲取了前擋玻璃表面風速分布，對比仿真分析結果，兩者基本吻合，說明了重型商用車駕駛室模型的準確性和CFD數值模擬分析方法的有效性。應用該簡易測試方法，獲取相應關鍵參數，大幅提高了試驗效率，節約了試驗資源，為新車型空調除霜系統設計或量產車型空調除霧系統的改進提供理論依據，具有較高的工程應用價值。

參 考 文 獻

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