基于CFD的商用車擋風玻璃的除霜性能分析

吳后吉, 黃玉婷, 紀緒北, 潘亞南

(比亞迪汽車工業有限公司, 廣東 深圳 518118)

車輛的除霜性能對車輛的安全行駛有著重要影響。現有標準大多針對乘用車,對于商用車的除霜要求,國標[1]為非認證項,美標為認證項[2]。本文通過對某商用車除霜管道的流場進行仿真分析,并與試驗結果比較,提出不同的改進方案,改善了前擋風玻璃的除霜效果。

1 仿真分析

大部分的CFD仿真基于穩態分析,僅考慮流體速度分布情況[3-10]。但由于除霜效果與溫度密切相關,因此,分析瞬態溫度場更為準確[11-12]。本文采用STAR-CCM+仿真軟件,除進行穩態分析外還進行瞬態分析,瞬態分析中考慮了冰層厚度、溫度、融冰隨時間變化的情況。

1.1 仿真模型建立

首先對幾何模型進行前處理,簡化除霜器內模型,并對不影響分析精度的車身內部、頂部、駕駛員后圍區域進行適當簡化;保留風窗玻璃、風腔、風口、儀表臺的詳細數模,形成封閉的計算域。圖1為網格劃分前經過適當簡化的幾何模型。

圖1 經過適當簡化的幾何模型

然后再進行網格劃分。整個計算域采用切割體網格,包含拉伸網格與棱柱層網格,并對風口、風腔、風窗玻璃進行網格加密。求解的體網格數量為3 733 324。

1.2 穩態仿真分析及方案改進

1.2.1 原方案仿真分析

穩態分析主要研究流體域中空氣的流動情況,為方案改進及瞬態分析奠定基礎。

首先對材料、邊界條件、計算參數進行設置。穩態計算模型中流體區域為不可壓縮空氣,恒密度,分離流,湍流Realizable K-Epsilon Two-Layer模型,Simple迭代算法。入口為質量流量入口：0.106 9 kg/s(325 m3/h),根據風機的風量試驗曲線與仿真匹配所得,方向垂直于入口邊界;出口為壓力出口P=0 Pa;其他邊界為壁面邊界。初始速度為0 m/s,溫度為-10 ℃。穩態仿真結果如下。

除霜器風量為0.098 679 kg/s(300 m3/h),圖2為原方案的除霜速度圖,根據穩態分析結果,風速≥1.5 m/s的玻璃區域分布于前窗兩側,側窗表面風速偏低。

注：前擋玻璃黑色區域為玻璃表面風速≥1.5 m/s區域。

圖3 原方案風除霜流線圖

根據風速流線圖(圖3)可更直觀地看到除霜情況,顏色由淺到深表示速度值由小到大。前窗中部基本沒有流線,且風吹至玻璃的撞擊點偏上,除霜效果差;前風口兩側的流線對側風口的流線產生擾動,且側風口未較好地朝向側窗視野區,風大部分吹向側窗上部,多種因素導致側窗視野區基本沒有風速≥1.5 m/s的風吹過。

1.2.2 方案改進

根據除霜分析結果和對速度流線的分析,分別對儀表臺、前風口、風腔和側風口進行了針對性的改進,如圖4、圖5和圖6所示。

如圖4所示,將儀表臺上的側風口向車后方向移動,減小側風口與視野區的距離,可以提高側除霜效果。對于前風口兩側擾流問題,通過堵住兩邊三角區域風口,可有效減少對側風口流線的擾動。前窗中部除霜效果欠佳與前風口內的導風板角度有關,因此將導風板方向調整為垂直,增加對前窗中間區域的除霜風量。針對前風口撞擊點偏上的情況,采用微調前風口導風板弧度的方式,可有效降低吹出風碰撞點的位置。

圖4 對儀表臺和前風口導風板的優化

受儀表臺不可調整的影響,僅微調側風口的位置無法有效改善側除霜效果,因此通過改變風腔形狀來增加對側窗除霜的效果。原側風口下的風腔空間大,風道僅有垂直向上(Z軸)的導向,易在側風口下形成漩渦低速區,且風吹出后易發散,較難吹至側窗視野區。如圖5所示,通過減小風腔尾部空間,風道增加朝向側窗的倒角,對導流至側窗具有重要影響,且風口具有朝向側窗的傾角,對風流暢地吹向側窗具有加成作用。

圖5 對風腔的優化

此外,側風口的格柵對風向和導向也具有影響。如圖6所示,將格柵的法向方向對準側窗視野區,可增加導向。同時,增加格柵寬度,使俯視風口時無法看見風腔內部結構,可有效減少發散流線,加強風的導向。

圖6 對側風口的優化

1.2.3 方案改進效果

優化后,對其進行除霜分析,圖7的除霜速度分布結果表明,前窗中部除霜效果得到改進,側窗視野區也能有較多風吹過,除霜效果得到較大提高。圖8的除霜流線圖表明,前風口中部有流線分布,且撞擊點有所降低;前風口兩側的風對側風口不再產生干擾,且恰好覆蓋分布于前窗視野區;側風口吹出的風的流線也朝向側窗視野區,除霜效果顯著增強。

注：黑色區域為玻璃表面風速≥1.5 m/s區域。

圖8 優化方案的除霜流線圖

通過對各個影響因素的微調,既不大改儀表臺和風道,也不影響已經完成的儀表臺制作,僅通過小改達到除霜要求。方案改進后,前窗C區玻璃表面風速≥1.5 m/s的區域面積占比由85.1%提高至99.9%,A區由57.6%提高至92.0%,主駕側窗視野區由0%提高至100%,副駕由0%提高至90.6%。

1.3 瞬態仿真分析

在穩態分析的基礎上進行瞬態分析,求能量方程,確定計算域的溫度場分布和風窗玻璃上的冰層隨時間融化的過程。

1.3.1 瞬態仿真分析前處理

利用Thin Film中的DeIcing模塊處理除霜問題[13]。采用基于邊界熱流的經驗算法：當熱氣流吹至擋風玻璃時進行對流換熱,擋風玻璃將熱量傳至玻璃外的冰層,玻璃外表面的溫度一旦高于冰層溫度冰就會開始融化,即除霜過程。

對于空氣、風窗玻璃、冰層的物理物性見表1。

表1 空氣、風窗玻璃、冰層的物理物性

考慮風窗玻璃與周圍環境進行換熱,其對流換熱系數的計算公式如下：

(1)

式中：h為對流換熱系數;v為車輛靜止時來流風速。

首先對風窗玻璃前的冰層進行建模,拉伸風窗玻璃層5層,厚度為5 mm,瞬態計算設霜層厚度為0.5 mm,計算所得玻璃對流換熱系數為10 W/(m2·K)。

邊界條件與計算參數設置：采用薄冰模型、恒定固體密度、不定常模型。步進1 s,每步迭代10次,計算1 800 s。對于出風口入口溫度,采用出風溫度曲線數據,如圖9所示。

圖9 風機出風溫度曲線

1.3.2 瞬態仿真結果

在穩態分析的基礎上,瞬態分析考慮了玻璃前的霜層厚度、冰層隨時間融化效果,結果如圖10所示。

注：黑色區域為霜層厚度=0 mm區域。

從瞬態仿真結果可知：20 min時除霜面積不大于50%,30 min時除霜面積大于80%;主駕與副駕的風窗玻璃除霜效果不對稱,副駕比主駕玻璃除霜效果好。

2 實車試驗驗證

實車試驗及仿真分析的融霜等值線結果分別如圖11和圖12所示。對比兩圖可知,瞬態除霜前15 min,仿真結果的融霜速度比試驗結果慢;15 min后,仿真結果的融霜速度慢慢增加,在20 min時與試驗結果基本一致;20 min后仿真結果的融霜速度比試驗融霜速度快;30 min時的仿真融霜效果與35 min時的試驗效果基本一致。

圖11 試驗的融霜等值線結果(從車外看)

圖12 仿真的融霜等值線結果(從車外看)

仿真結果與試驗結果存在差異的原因可能有：①整車氣密性影響;②模型存在一定的誤差;③仿真輸入的出風溫度為風口的出風溫度,在除霜器和風腔風道中存在一定的溫度損失,導致誤差。雖然不可避免會存在一定的誤差,但此仿真方法的結果與試驗結果趨勢基本一致。

3 結束語

通過瞬態和穩態CFD方法對某商用車的除霜系統進行分析,提出改進方案,提高了正擋風玻璃的除霜效果,尤其是對側面除霜的出風格柵進行了優化,側窗除霜的效果明顯改善,并大大減少新車研發時間和成本。