汽車空調除霜風道的穩健性優化設計

孫建逵,宮曉彬

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208)

0 引言

我國北方的冬天比較長，氣溫很低，汽車擋風玻璃上結霜現象比較普遍，汽車的除霜功能是必不可少的，是保證安全行駛的前提。并且汽車除霜性能是國家標準中強制檢測的一項指標，GB 11555—2009對除霜性能做了嚴格的規定[1]，前擋玻璃的區域劃分如圖1所示。

圖1 前擋風玻璃區域

除霜風道設計的優劣直接影響著整個除霜系統的性能，目前除霜風道在設計過程中大多采用CFD計算分析，國內外有很多學者對其進行了研究[2-6]，有些學者引入了試驗設計(DOE)方法對除霜風道進行了優化，谷正氣等[7]使用試驗設計(DOE)對風道內葉片進行了優化，李旭等人[8]使用試驗設計(DOE)和遺傳算法對除霜的出口格柵角度進行了優化。以上的研究優化方向比較集中，且計算工況單一，未考慮客戶在實際使用過程中產生的噪聲因素。本文作者引入DFSS中的優化方法，考慮實際使用過程中的噪聲因素，對某一車型的除霜風道進行整體優化分析，得到除霜性能穩健的設計方案。

1 優化模型

21世紀初，各大汽車制造商及其零部件供應商都廣泛應用六西格瑪設計這一高效的方法，這一方法有以顧客為關注焦點、最優化的過程設計、成本低以及可靠性高的特點[9]。六西格瑪設計流程由5個部分組成：識別、定義、研發、優化和驗證[10]，文中主要運用六西格瑪設計的優化方法，對CFD計算案例進行實驗設計(DOE)，從而提高效率、降低成本。

1.1 理想函數

理想函數是系統的基本函數，它表示系統可以優化到一個理想的狀態。一般線性關系的理想函數最容易處理，考慮前擋玻璃除霜是個能量交互的過程，以進風溫度為輸入信號，前擋風玻璃的加權平均溫度為輸出響應建立一元一次方程的理想函數，該函數斜率為β，斜率越大，說明系統的效率越高。

在進風溫度一定的情況下，玻璃某區域的溫度高，則該區域的除霜速度也快。在前擋風玻璃的各個區域中，如圖1所示，A區與A′區最為重要，B區次之，一般情況下除霜出口氣流在前擋玻璃上的入射點落在B″區內，所以該區域除霜較容易，根據前擋風玻璃各區域的重要性，理想函數的輸出采用各區域溫度的加權平均值。

1.2 控制因子

當除霜風道開口格柵確定以后，影響除霜性能的主要因素之一就是除霜風道的設計，也就是風道內部流道的設計，風道內部流道設計包括風道本身的形狀與風道內部導流葉片的設置，根據可控的設計參數，設置控制因子與水平。

文中以風道的形狀A、導流葉片擺放的角度B、葉片的長短C以及葉片在風道內的位置D作為控制因子，每個控制因子分別有3個控制水平，其中以A1、B1、C1、D1組合為基準設計。如圖2所示為風道不同的形狀，葉片角度在B1設計的基礎上依次轉動10°，葉片長短在C1的基礎上依次增加7 mm，葉片的位置以D1為基準，分別向中間平移10 mm。

圖2 風道形狀

通過測試一系列設計參數的組合來確定它們對信噪比和斜率的影響，從而選擇最佳的組合來優化設計。根據控制因子的數量與水平，采用L9的組合正交列表。

1.3 噪聲水平

在除霜實際使用過程中，還有一些因素影響著除霜的性能，但這些因素不受風道設計所控制，稱之為系統的噪聲。信號、控制因子和噪聲因子全部影響著能量的轉換和結果的輸出，一個穩健的系統應對噪聲因子不敏感。文中以環境溫度與進風流量作為噪聲因子，模擬客戶在不同環境溫度下使用不同風量進行除霜，為減少計算模擬的組合次數，將噪聲因子水平進行組合，其中環境溫度低，氣流流量小，為引起低響應的水平N1；環境溫度高，氣流流量大的，為引起高響應的水平N2。

2 數值模擬

2.1 計算模型的建立

用ANSA軟件對幾何體處理進行面網格劃分，再把面網格導入到T-grid內生成體網格，T-grid內可拉伸5 mm厚的玻璃體網格與0.48 mm厚的霜層體網格。在Fluent計算時，假定空氣為不可壓縮氣體，湍流模型采用k-ε模型，空間離散采用二階迎風差分格式，迭代方式用Simple算法，并選用能量方程。

2.2 邊界條件

給定兩個信號水平，進口溫度分別為37 ℃與67 ℃，進口邊界為速度進口，出口邊界為壓力出口，霜層與外界環境對流換熱。探究噪聲因子的水平，邊界條件的組合見表1。

表1 邊界條件

3 結果與分析

利用Fluent軟件對9種組合的設計分別設置4種邊界條件進行計算，得到各區域內平均溫度，再計算得到擋風玻璃的加權平均值，結果見表2。

表2 計算結果 ℃

每個組合有4個輸出，根據計算結果可以根據公式(1)和公式(2)計算出每個組合的斜率β和輸出的方差σ2。

(1)

(2)

式中：Mi為信號輸入，即除霜氣流進口溫度;yi為CFD計算結果的輸出，即玻璃溫度。

計算出斜率β和輸出的方差σ2后，就可以根據公式(3)得到每個組合的信噪比S/N。

(3)

每個控制因子水平在正交列表中出現的次數是一樣的，都出現了3次，計算含有某一控制因子水平的3個信噪比和斜率的平均值，作為該控制因子水平的信噪比和斜率，這樣就可以區分每個控制因子在各水平上的影響效果。計算得到的每個控制因子水平的信噪比與斜率如圖3和圖4所示，圖中虛線為各計算結果的平均值。

圖3 信噪比

圖4 斜率

從圖3中可以看出，A1、B2、C2、D2對系統控制的信噪比最高，B2與C2的斜率也最大，雖然A1的斜率比A2小，D2的斜率比D3小，但這兩個控制因子在這幾個水平上對斜率的影響并不是很大，所以以信噪比為準，設計的最佳組合為A1、B2、C2、D2。

4 計算驗證

對最佳組合的設計方案使用CFD進行除霜非穩態模擬分析，根據國標試驗要求設置計算邊界條件，環境溫度為-18 ℃，玻璃厚度5 mm，霜層厚度為0.48 mm，進口流量為72 L/s，給定進口氣流溫度的溫升變化。

圖5為最佳方案前擋玻璃上的速度云圖，從速度云圖上看，A區和A′區內速度分布為斜對角線向上，整個速度云圖成蝴蝶狀展開，速度分布較均勻。

圖5 速度云圖

圖6為最優方案CFD非穩態模擬結果，從上往下分別是在5、10、15和20 min時前擋玻璃的除霜情況，圖中白色區域為霜除盡的區域。15 min時，A區和A′區內已完成除霜，B區的95%區域也已完成除霜。20 min時，整個前擋玻璃完成除霜，根據CFD分析結果，該風道的設計方案能夠滿足國標除霜要求。

圖6 CFD計算除霜過程

5 試驗驗證

根據風道優化后的設計方案制作除霜風道樣件，將風道樣件安裝在整車上，對整車進行除霜性能的GB 11555—2009試驗。

試驗結果如圖7所示，其中從上往下分別為5、10、15和20 min時前擋玻璃上除霜的狀態。除霜的形狀與速度，試驗結果與CFD計算結果都相符。15 min時的除霜狀態已經滿足了GB 11555—2009中40 min時的要求，整個除霜過程迅速。

圖7 試驗除霜過程

6 結論

文中在設計除霜風道的過程中引入了六西格瑪設計的優化方法，計算證明除霜風道的彎曲形狀、風道內導流葉片的長度、葉片擺放的位置與角度是影響除霜性能穩健性與效率的關鍵因素，且CFD計算與試驗結果比較一致，CFD計算的可信度很高。

以CFD計算為工具，結合DFSS方法能夠有效地減少設計除霜風道的周期，降低開發成本，并能夠很好地保證除霜系統性能的穩健性與高效性。