基于CFD的汽車側窗除霜除霧優化設計

方月嬌 Fang Yuejiao

基于CFD的汽車側窗除霜除霧優化設計

方月嬌
Fang Yuejiao

（江西昌河汽車有限責任公司 技術中心，江西 景德鎮 333001）

汽車空調的除霜除霧性能對汽車的駕駛安全有重要意義。針對市場反饋某微型貨車前門側窗除霜除霧效果差，采用Fluent軟件對該微型貨車的除霜除霧性能進行CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學）數值模擬分析，計算風管內氣流矢量和側窗玻璃上氣流速度分布，獲得前門側窗除霜除霧效果差的原因，并對其進行優化設計，對優化前后前門側窗除霜除霧效果進行實車驗證試驗，試驗結果與CFD分析一致，表明CFD分析方法的可靠性，為汽車空調設計提供一定的理論依據。

微型貨車；除霜除霧；CFD；優化設計

0 引 言

冬天氣溫下降戶外汽車玻璃會結冰霜，特別是在我國北方地區，汽車玻璃上的霜凍嚴重影響駕駛員的視野，對行車安全造成危害；因此提高汽車除霜除霧的性能是汽車設計開發階段的一項重要工作。傳統的空調系統設計主要依賴經驗，需要反復試制和測試，增加了車輛研發成本，延長研發時間。由于CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學）仿真分析技術的快速發展，CFD已經成為汽車除霜除霧性能設計與優化中的常用工具，可有效縮短車型研發周期并降低設計成本[1-2]。

以某微型貨車用戶反饋的側窗除霜除霧效果差問題為出發點，利用ANSYS Fluent對該車型除霜除霧性能進行數值模擬分析，計算風管內的氣流矢量和側窗玻璃上氣流速度分布，找出側窗除霜除霧性能差的原因，并對其進行優化改進，實現側窗除霜除霧有效面積提升至90%以上的目的。

1 RNG k-e數學模型

在穩態速度模型中流體為空氣，用2階離散方法來求解流場方程，RNG-模型對流線彎曲度較大的流動做了較好處理，控制方程為[3]

2 側窗除霜除霧CFD仿真分析

2.1 建立CFD分析模型

根據某車型的三維CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設計）實體模型，分別選擇儀表板、格柵、風道和車身的內表面生成模擬空間。在應用CFD數值模擬方法對汽車除霜除霧進行分析和研究時，為減少網格數目，節省計算時間，對車內結構進行了簡化，但對模擬的關鍵部件的細部結構盡量保留。考慮到車內后座回流的空氣對風窗玻璃除霜除霧效果影響不明顯，因此不考慮車內后部空間，截取一片側窗玻璃為邊界面構建空腔模型進行分析，如圖1所示。由于左右風管結構對稱，相比眼橢圓在左側窗投影，在右側窗投影更靠近A柱，對風向要求更高，故主要對右側窗進行分析，眼橢圓在左側窗投影差異對比如圖2所示，其中位置1、2為眼橢圓在左側窗投影，位置2、3為眼橢圓在右側窗投影。

圖1 側窗除霜除霧分析模型

圖2 眼橢圓在側窗上的投影對比

為節省計算時間，沒有考慮風機部分，僅對從側窗風管出口到儀表板送風口的部分進行研究。為了對風道內的空氣流動進行計算，對幾何模型作如下假設[4-5]：

（1）空氣為不可壓縮流體，且密度為常數；

（2）風道系統密封良好，除進風口和出風口外沒有空氣泄漏。

進行CFD模擬時，常采用的基本邊界條件包括：流動進口邊界、流動出口邊界、給定壓力邊界、壁面邊界、對稱邊界和周期（循環）邊界。

根據除霜除霧模型計算需要，選用速度進口邊界條件，用于定義進口的速度大小、方向等其他相關標量值。壓力出口邊界條件給定出口的靜壓（表壓）[6]，其與其他量設置不同，根據內部流動計算結果給定，而其他量都是根據內部流動外推出邊界。

2.2 后處理分析

風管內的氣流速度矢量如圖3所示，右側窗的氣流速度分布如圖4所示。風管內氣流在靠近格柵處的速度最高，風管內不存在風速為0的區域，氣流沿著儀表板上的出風口向車廂內吹。從圖4可以判斷駕駛員的眼橢圓（95%的眼橢圓）在右側窗上的投影，不是整個側窗中風速最高的區域，而且側窗上最高風速只有0.645 m/s，與經驗值相比，風速偏低。

圖3 風管內的氣流速度矢量圖

圖4 右側窗的氣流速度分布圖

右側窗的人眼橢圓中點縱向平面的氣流速度分布如圖5所示。從圖5可以判斷經儀表板出風口處的氣流沒有按照設計要求吹向側窗指定區域，導致側窗人眼橢圓處風速偏低，除霜除霧效果不理想。

圖5 右側窗人眼橢圓中點縱向平面的氣流速度分布圖

2.3 優化設計

從CFD分析的結果判斷，暖風并未均勻吹向人眼橢圓在側窗的投影區域，沒能滿足使駕駛員清楚觀察到后視鏡的要求，與用戶的反饋結果一致。

經過現場調查、驗證和比較其他車型的結構等方法，針對每個可能的原因進行分析，最終得出側窗除霜除霧改進方案，并分析改進方案的可實施性，見表1。

表1 改進方案以及改進方案的可實施性

考慮到該車型為量產車型，所以設定改進目標為改動成本最低，在不對儀表板等大型零部件進行變更的前提下，提升該車型的側窗除霜除霧效果，并將側窗的除霜除霧有效面積提升至90%以上（除霜除霧功能開啟10 min）。通過對改進方案的可實施性進行對比，根據設定的改進目標，確定以方案3作為最終優化方案。方案中，導風片為左右對稱件，其結構如圖6（a）所示，增加導風片前、后的出風口結構分別如圖6（b）、6（c）所示，導風片布置在儀表板出風口和風管之間，先將其與儀表板出風口進行安裝，再安裝風管。

增加導風片后風管內氣流速度矢量如圖7所示，風管內氣流在靠近格柵處的速度最高，氣流沿著儀表板上出風口吹向側窗玻璃，經過方案3優化設計后，最高風速由4.75 m/s提高至7.28 m/s。

（a）導風片結構（b）安裝導風片前出風口結構（c）安裝導風片后出風口結構

圖7 優化后風管內的氣流速度矢量圖

優化后右側窗的氣流速度分布如圖8所示。從圖8可以判斷，增加導風片后駕駛員的右眼橢圓在側窗上的投影成為整個側窗中風速最高的區域，而且側窗上的最高風速從 0.645 m/s提高到1.485 m/s，是優化前的2.3倍，改善效果明顯。

圖8 優化后右側窗的氣流速度分布圖

優化后右側窗的人眼橢圓中點縱向平面的氣流速度分布如圖9所示。從圖9可知，經儀表板出風口處的氣流在導風片的影響下，直接吹向人眼橢圓在側窗的投影區域。

圖9 優化后右側窗眼橢圓中點縱向平面的氣流速度分布圖

3 實車驗證

為了驗證CFD分析的正確性與通用性，對車輛按照GB 11555—2009《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統的性能和試驗方法》要求進行實車模擬試驗。試驗的兩臺車輛狀態分別為在產狀態和改進狀態，重點比較試驗開始8 min后的側窗除霜除霧效果，見表2。比較結果顯示，改進狀態車輛比在產狀態車輛除霜效果更優，后視鏡視野區域的結霜基本清除干凈，如圖10、圖11所示。

表2 在產車與改進車側窗除霜除霧有效面積對比

圖10 駕駛員側除霜除霧效果

圖11 副駕駛員側除霜除霧效果

從圖10、圖11中可以看出，右側窗的除霜除霧效果更好，不排除左、右側風管的風量對除霜除霧效果的影響。

CFD計算結果與試驗結果相吻合，表明利用ANSYS Fluent進行分析能準確地反映出車輛的除霜除霧效果，且采用方案3進行優化滿足設計要求。

4 結 論

（1）運用ANSYS Fluent軟件對某微型貨車的除霜除霧效果進行分析，并根據分析結果，提出了最佳的優化方案，有效解決了側窗除霜除霧效果不佳的問題，并在實車上得到驗證。

（2）優化方案3通過改變出風口處的風向，取得明顯除霜除霧效果。總的來說，影響側窗除霜除霧效果的因素不只與風向有關，還與暖風機性能有關，只有多方面結合，才可以真正提高側窗除霜除霧性能。

（3）模型質量、網格大小會對計算的速度和精度產生一定影響，若為了體現整車的除霜除霧效果，應建立更加完整的分析模型。后續將增加空調風口的風量分配、車內結構以及內飾件等因素對除霜除霧效果影響的研究。

[1]鄧峰，谷正氣，楊易，等. 汽車前風窗玻璃除霜除霧數值模擬分析和研究[J]. 汽車工程，2009，31（2）：175-179，188.

[2]王福軍. 計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用[M]. 北京：清華大學出版社，2004：124-125.

[3]韓占忠，王敬，蘭小平. Fluent流體工程仿真計算實例與應用[M]. 北京：北京理工大學出版社，2004：31-57.

[4]胡忠輝，杜雄飛，梁正偉. 某車型除霜性能優化分析與驗證[J].北京汽車，2018（6）：24-26.

[5]李明，李國迪，趙衛兵，等. 出風道結構改進對汽車除霜性能的影響分析[J]. 汽車工程，2018，40（11）：1364-1369，1375.

[6]杜娟，趙海英. 某車型側除霜風道設計及優化[J]. 中國汽車，2018（9）：57-60.

2019-04-11

U463.85+1：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.010

1002-4581（2019）04-0036-04