純電動客車除霜分析

高 海

（安徽安凱汽車股份有限公司，安徽 合肥 230051）

前言

在寒冷的天氣，空氣和較冷的車窗表面相接觸，達到水汽過飽和狀態(tài)時水汽就會析出。如果溫度下降到零度以下，則多余的水汽就會在車窗上凝結(jié)成霜，阻礙駕駛員的視野，對行車安全產(chǎn)生危害。為保證行車安全和乘車舒適性，需要在客車的供暖系統(tǒng)中安裝除霜器。除霜器利用熱源對引入的車內(nèi)空氣（內(nèi)循環(huán)）或車外干空氣（外循環(huán)）進行加熱，然后通過除霜風(fēng)道上的熱風(fēng)出口噴向玻璃內(nèi)表面形成熱風(fēng)幕，基于射流沖擊換熱原理加熱玻璃內(nèi)表面，通過熱傳導(dǎo)融化玻璃外表面的霜層[1]。與轎車不同，純電動客車的除霜系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)相對獨立，并采用電加熱的方式進行除霜，因此提高除霜效率有助于提高冬季純電動客車續(xù)航里程[2]。本文采用CFD軟件對10 米純電動公交車進行除霜分析和優(yōu)化設(shè)計。

1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

基于CFD 的除霜分析首先需要保證空氣域是一個單連通的封閉區(qū)域，在前處理軟件中將三維模型進行封閉處理?？蛙囓嚿磔^長，但一般不選取全部車長作為計算域，這樣可以減少計算時間；同時計算域的長度不能太短，以免影響計算精度。在此基礎(chǔ)上，忽略一些對除霜影響不大的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實車具體尺寸，建立簡化模型。本文所用單連通的模型如圖1 所示，網(wǎng)格模型參數(shù)如表1 所示。

圖1 簡化后的模型

2 邊界條件設(shè)置

本文采用瞬態(tài)分析，選用儀表臺除霜出風(fēng)口作為速度入口，給定速度與溫度，出口采用壓力出口，大小為一個大氣壓[3]。由于客車內(nèi)部空氣與玻璃內(nèi)表面具有直接耦合的傳熱關(guān)系，屬于流固耦合換熱，所以不需要單獨設(shè)置邊界條件，其余固體表面可設(shè)置為絕熱條件。為滿足安全駕駛要求，標準[4]要求實驗開始20 分鐘后，駕駛員一側(cè)玻璃外表面80%完成除霜，故將瞬態(tài)分析時間設(shè)為1200s，時間步長設(shè)為1s，每100s 輸出一張擋風(fēng)玻璃外表面溫度分布圖[5-6]。

表1 網(wǎng)格模型參數(shù)

3 除霜分析及優(yōu)化

3.1 出風(fēng)口結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖2 所示，該款電動公交車儀表臺均勻布置12 個長條形常開出風(fēng)口，風(fēng)口斜向向前。根據(jù)相關(guān)標準[4]，所以出風(fēng)口風(fēng)速均設(shè)為7m/s，環(huán)境溫度和固體溫度設(shè)為零下20 度。

圖2 儀表臺原始結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 新型出風(fēng)口結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 出風(fēng)口改進前后除霜效果云圖

當熱風(fēng)流量一定時，設(shè)計更加細長的出風(fēng)口，可增大出風(fēng)口流速，根據(jù)原始設(shè)計的出風(fēng)口面積，新的出風(fēng)口結(jié)構(gòu)和數(shù)量如圖3 所示。通過計算得到前擋風(fēng)玻璃除霜CFD 分析結(jié) 構(gòu)如圖4 所示，比較20 分鐘后除霜面積可知，新型出風(fēng)口結(jié)構(gòu)更有利于提高除霜效率。

3.2 出風(fēng)口出風(fēng)角度優(yōu)化

由文獻及設(shè)計經(jīng)驗可知，提高出風(fēng)口與水平面夾角，即減小碰撞角度有助于提高除霜效率，同時該車型出風(fēng)口與水平面夾角不宜提升太高，以免出風(fēng)口與玻璃內(nèi)表面碰撞點距離太遠，降低除霜效率，綜上，本文選取與水平面夾角為60度、72 度、80 度，三種條件下前擋風(fēng)玻璃除霜CFD 分析結(jié)果如圖5 所示，比較20 分后除霜面積可知，水平面夾角設(shè)置為72 度時，更有利于提高除霜效率。

圖5 不同出風(fēng)口角度除霜效果云圖

4 結(jié)論

與通過環(huán)境倉除霜實驗指導(dǎo)設(shè)計相比，本文采用仿真模擬的方法，節(jié)省了時間和實驗設(shè)計的成本。同時通過改進出風(fēng)口結(jié)構(gòu)和優(yōu)化出風(fēng)口角度，提高了除霜效率，達到了節(jié)能的目的。