基于露點(diǎn)差閾值法對車燈起霧風(fēng)險的研究

丁博巖，何 淵，鄭志軍，呂 浩，徐浩文，金立軍

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201800)

引言

汽車燈具不僅是整車造型的重點(diǎn)，并且對整車的安全性有著重要的影響。車燈起霧問題嚴(yán)重影響到了汽車的外觀和安全，因此解決車燈起霧問題迫在眉睫。

在分析和解決車燈起霧問題中，對車燈起霧的模擬分析至關(guān)重要。在試裝和批量之前，通過模擬仿真的方式把車燈起霧的情況、位置和原因分析清楚，才能在開發(fā)設(shè)計(jì)階段通過各種手段來減少車燈起霧發(fā)生的可能性[1]。目前，對車燈起霧的模擬通常按照對車燈外配在降溫起霧后消霧階段的液膜情況進(jìn)行分析。但是由于液膜只能從模擬的角度判斷是否消霧完成，而無法針對潛在的起霧及難以消霧的風(fēng)險區(qū)域進(jìn)行評估，更無法對風(fēng)險性區(qū)域進(jìn)行定性分析。

本文通過對車燈起霧的原因進(jìn)行分析，提出了一種基于有限元仿真判斷車燈起霧和對潛在的起霧風(fēng)險區(qū)域進(jìn)行量化評判的模擬方法：采用車燈外配內(nèi)表面全露點(diǎn)差閾值方法判斷分析車燈起霧風(fēng)險。通過該方法，不僅可以對車燈外配是否起霧、起霧位置和起霧程度做一個直接、準(zhǔn)確的判斷，同時還能夠判斷潛在的起霧風(fēng)險區(qū)域并對其量化分析，從而在開發(fā)設(shè)計(jì)階段就針對車燈起霧風(fēng)險區(qū)域做一些優(yōu)化措施來避免風(fēng)險。

1 露點(diǎn)差閾值評判方法

1.1 露點(diǎn)差的含義與定義

結(jié)霧是空氣內(nèi)的水汽遇到冷的表面而在表面上凝結(jié)成霧氣或水珠的自然物理現(xiàn)象。

造成這種現(xiàn)象的主要原因是空氣的溫度低于空氣的露點(diǎn)，使得空氣中的一部分水蒸氣無法以氣體的形式存在空氣中，從而以液體的形式被釋放出來，產(chǎn)生霧氣[2]。

露點(diǎn)差Dtd是指環(huán)境溫度和露點(diǎn)的差值，當(dāng)露點(diǎn)差大于0 ℃時，表示環(huán)境溫度大于露點(diǎn)，此時不會產(chǎn)生霧氣。露點(diǎn)差越大表示溫度越遠(yuǎn)高于露點(diǎn)，起霧的風(fēng)險也越低。當(dāng)露點(diǎn)差越接近于0 ℃，表示此時環(huán)境溫度越接近于露點(diǎn)，因此起霧的風(fēng)險也越高，一旦溫度稍微降低，或者空氣中濕度稍微升高(露點(diǎn)升高)，則有可能發(fā)生溫度低于露點(diǎn)而導(dǎo)致起霧的現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)露點(diǎn)差等于0 ℃時，環(huán)境溫度等于露點(diǎn)，此時空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，相對濕度達(dá)到100%；當(dāng)露點(diǎn)差小于0 ℃，則環(huán)境溫度低于露點(diǎn)，此時會產(chǎn)生霧氣。因此起霧風(fēng)險的大小可以通過露點(diǎn)差的概念來判斷[3]。

1.2 物體表面露點(diǎn)差的計(jì)算

根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范第6部分：空氣溫度和濕度的觀測》(QX/T 50—2007)標(biāo)準(zhǔn)，露點(diǎn)溫度Td可采用新系數(shù)的馬格拉斯公式求出初值，再用逐漸逼近(最多三次方)方法求出露點(diǎn)Td(℃)[4]：

(1)

式中，e表示水汽壓，單位為百帕(hPa)；E0表示0 ℃時的飽和水汽壓，取值為6.1078 hPa；a表示系數(shù)，取7.69；b表示系數(shù)，取243.92。

式(1)中的水汽壓e可以通過相對濕度進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中，U表示相對濕度，單位為百分率(%)；Ew表示干球溫度t所對應(yīng)的純水平液面飽和水汽壓，單位為百帕(hPa)可用式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中，Ew表示純水平液面飽和水汽壓，單位為百帕(hPa)；T1表示水的三相點(diǎn)溫度，273.16 K；T表示絕對溫度，單位為開爾文(K)，T=273.15+t℃；t表示環(huán)境溫度，單位為攝氏度(℃)。

通過上述公式可以看出，露點(diǎn)的計(jì)算與溫度以及相對濕度有關(guān)。而露點(diǎn)差可以通過環(huán)境溫度和已經(jīng)計(jì)算出的露點(diǎn)的差值計(jì)算得出：

Dtd=t-Td

(4)

其中：t表示環(huán)境溫度；Td表示露點(diǎn)溫度。

1.3 露點(diǎn)差閾值

露點(diǎn)差閾值(Dtd)是指，當(dāng)露點(diǎn)差大于此閾值時，起霧的風(fēng)險較低且消霧較易；而當(dāng)露點(diǎn)差小于此閾值時，起霧的風(fēng)險較高且消霧較難。

根據(jù)模擬條件和實(shí)際車燈實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文采用露點(diǎn)差閾值的經(jīng)驗(yàn)值為2 ℃(與下文所提出的霧氣模擬條件相關(guān)聯(lián)，不同的模擬條件可以采用不同的露點(diǎn)差閾值)。即當(dāng)露點(diǎn)差小于經(jīng)驗(yàn)露點(diǎn)差閾值2 ℃的區(qū)域是有霧氣風(fēng)險的，露點(diǎn)差大于經(jīng)驗(yàn)露點(diǎn)差閾值2 ℃的區(qū)域霧氣風(fēng)險較低。

1.4 露點(diǎn)差閾值對車燈起霧模擬上的應(yīng)用

在1.3節(jié)提到，判斷起霧風(fēng)險可以直接通過是否小于露點(diǎn)差閾值來判斷，而露點(diǎn)差的計(jì)算與溫度以及相對濕度有關(guān)，因此汽車外配內(nèi)表面上每一點(diǎn)的露點(diǎn)差都是不同的。可以通過有限元模擬，得到車燈外配表面每一點(diǎn)的溫度以及相對濕度，再利用式(1)～式(4)計(jì)算車燈外配每一個點(diǎn)的露點(diǎn)差，再通過露點(diǎn)差是否小于露點(diǎn)差閾值來判斷起霧風(fēng)險，此流程如圖1所示。

圖1 露點(diǎn)差判斷汽車外配起霧風(fēng)險流程圖Fig.1 Flowchart for determining the risk of automotive exterior fogging by dew point difference

2 露點(diǎn)差閾值法的模擬驗(yàn)證

2.1 模擬條件

模擬針對某實(shí)驗(yàn)尾燈的A燈進(jìn)行霧氣仿真，模擬條件如下：

第一步，設(shè)置初始環(huán)境溫度35 ℃，開燈狀態(tài)下外配側(cè)的給予一定對流換熱系數(shù)。

第二步，仿真快速降溫起霧過程，外配側(cè)溫度設(shè)置為降溫溫度，并且對流換熱系數(shù)提高，使得外配的溫度迅速降低以達(dá)到起霧的目的，同時殼體處對流換熱系數(shù)保持不變且溫度降低。此階段下為關(guān)燈狀態(tài)且持續(xù)3 min。

第三步，仿真消霧階段，此時對流換熱系數(shù)調(diào)整到最初始條件：保持溫度為第二步驟殼體溫度，且持續(xù)60 min。

一般地，仿真結(jié)果在開始消霧后60 min內(nèi)霧氣全部消散則認(rèn)為燈具的霧氣是低風(fēng)險。

2.2 液膜模擬結(jié)果

圖2為消霧過程10～60 min的液膜厚度圖，藍(lán)色區(qū)域?yàn)橐耗ず穸葹?的區(qū)域，即無霧氣區(qū)域；而非藍(lán)色區(qū)域就是液膜厚度大于0也就是有霧氣的區(qū)域。在整個消霧過程中，霧氣位置(液膜大于0的位置)是逐步減小的，40 min之后液膜變?yōu)?，表示40 min后霧氣完全消除。

圖2 消霧過程—液膜結(jié)果圖Fig.2 Mist elimination process-liquid film result diagram

因此，按照通常情況可以判斷此實(shí)驗(yàn)尾燈的消霧能力是低風(fēng)險的。

2.3 露點(diǎn)差閾值法模擬結(jié)果

進(jìn)一步，利用露點(diǎn)差閾值法來進(jìn)行車燈霧氣的風(fēng)險判斷。首先通過仿真模擬得到外配的溫度和相對濕度結(jié)果，再利用式(3)對露點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算，從而得出整個消霧過程的露點(diǎn)溫度。根據(jù)相同時刻下的溫度和露點(diǎn)溫度算出露點(diǎn)差，從而得到整個消霧過程的露點(diǎn)差結(jié)果，如圖3所示。

圖3 消霧過程—露點(diǎn)差結(jié)果圖Fig.3 Mist elimination process-dew point difference result diagram

由圖3可知，露點(diǎn)差從消霧開始大部分區(qū)域小于2 ℃開始不斷升高，但是在40 min后仍然有部分區(qū)域是小于2 ℃的。如果把露點(diǎn)差圖按照露點(diǎn)差閾值2 ℃進(jìn)行不同顏色劃分則如圖4所示。

圖4 消霧過程—按照露點(diǎn)差閾值劃分結(jié)果圖Fig.4 Fogging process-results by dew point difference thresholds

如圖4所示，紅色區(qū)域是露點(diǎn)差大于2 ℃的區(qū)域，而藍(lán)色區(qū)域是露點(diǎn)差小于2 ℃的區(qū)域。可以看出，40 min后在靠近焊接筋處以及外側(cè)處仍有藍(lán)色區(qū)域，也就是低于露點(diǎn)差閾值2 ℃的。即雖然在40 min后，從液膜結(jié)果圖來看是沒有霧氣的(液膜都為0)，但是從露點(diǎn)差閾值結(jié)果來看，靠近焊接筋處以及外側(cè)處是有很大的霧氣問題風(fēng)險的。因?yàn)樵趯?shí)際使用中，如果燈體溫度降低或者燈腔內(nèi)相對濕度較高都會導(dǎo)致這部分區(qū)域產(chǎn)生較多霧氣而無法消除。

2.4 低溫環(huán)境霧氣實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證露點(diǎn)差閾值法判斷車燈外配起霧風(fēng)險的準(zhǔn)確性，對此實(shí)驗(yàn)燈具進(jìn)行低溫環(huán)境霧氣實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為：在低溫環(huán)境下，車輛停止一段時間后，開燈狀態(tài)下以一定速度開一定距離，如果霧氣沒有消除則繼續(xù)關(guān)燈繼續(xù)行駛一定距離看是否霧氣消除，最終，如果霧氣還是不能消除，則車輛的消霧能力是較差的。

圖5為此實(shí)驗(yàn)尾燈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對比圖。從圖中可以看出，產(chǎn)生霧氣的位置是在靠近焊接筋處以及外側(cè)處，低溫環(huán)境霧氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果與利用露點(diǎn)差閾值法判斷的車燈起霧風(fēng)險區(qū)域基本吻合，而這部分起霧區(qū)域是利用液膜法無法模擬和判斷出來的。

圖5 模擬結(jié)果與低溫環(huán)境霧氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.5 Comparison of simulation results with results of low-temperature ambient fog experiments

3 總結(jié)

(1)汽車車燈起霧問題的研究對汽車照明是非常重要的，而在開發(fā)階段的霧氣模擬又是提前判斷出車燈起霧風(fēng)險以及起霧風(fēng)險區(qū)域的第一道也是最重要的一個手段。因此，車燈的霧氣模擬非常重要。

(2)傳統(tǒng)利用液膜法來模擬車燈起霧的方法雖然可以精確模擬出是否起霧、多久可以消霧，以及尚未消霧的區(qū)域。但是由于液膜只有大于0和小于0兩個界限，針對有些區(qū)域是有潛在的起霧或消霧難的風(fēng)險，采用液膜仿真結(jié)果無法識別。

(3)利用露點(diǎn)差閾值法不僅能精準(zhǔn)的判斷是否會起霧以及無法消霧的區(qū)域，并且通過閾值的量化可以判斷車燈外配存在的潛在起霧的區(qū)域以及難以消霧的區(qū)域。

(4)根據(jù)不同的霧氣模擬條件可以采用不同的露點(diǎn)差閾值，通過閾值來量化起霧風(fēng)險提前防范可能起霧的風(fēng)險區(qū)域。