基于CFD的某商用車除霜風道性能優化

朱紹偉，崔 震，劉秀芝，商 成

基于CFD的某商用車除霜風道性能優化

朱紹偉，崔 震，劉秀芝，商 成

（浙江飛碟汽車制造有限公司五征分公司 汽車研究院，山東 日照 276800）

為滿足商用車除霜性能要求，縮短開發時間，采用CFD分析方法對某商用車除霜風道進行仿真優化。首先通過穩態分析優化設計階段的除霜風道壓損、風口風量分配、前擋與側窗視野區域風速覆蓋率等性能指標，使其滿足目標要求；其次加載除霜出風的溫升曲線，開展除霜瞬態分析來預估除霜效果；最后通過實際樣車進行優化后的風道除霜驗證試驗。結果表明，除霜性能滿足目標要求，CFD虛擬驗證可以降低研發成本，提升開發效率。

商用車除霜風道；CFD；性能優化；除霜瞬態分析

商用車在交通運輸中占據著重要地位，其不斷發展對我國經濟發展有很大的推進作用。受冬季氣溫低濕度大的影響，汽車玻璃上極易產生較厚的霜層，對安全駕駛車輛會產生嚴重危害。因此，汽車的除霜性能直接關系到車輛行駛的安全性和舒適性[1-2]。汽車的除霜性能與風道的設計直接相關，優良的設計可以保證出風量、角度及風在玻璃上的流動方向，從而保障除霜的效率。在設計初期，通過虛擬驗證可以有效預測未來樣車的性能，縮短研發時間、減少后期更改帶來的高成本浪費，因此，在早期設計階段引入虛擬驗證技術來優化汽車除霜風道的性能尤為重要。

以某商用車除霜風道的模型為研究對象，建立風道及駕駛艙除霜模型，應用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）數值模擬的分析方法，對除霜性能的優化開展穩態分析，對除霜效果的預估開展瞬態分析，并結合試驗來驗證優化后的除霜性能。

1 除霜穩態分析模型及邊界條件

1.1 創建網格模型

根據某商用車三維數據創建CFD分析模型，首先在前處理軟件中完成除霜風道、出風口格柵、擋風玻璃、側窗玻璃、儀表板及駕駛艙內飾等部件網格劃分與連接，形成CFD計算封閉流體域，其次在CFD軟件中完成風道、風口格柵等關鍵區域的網格加密，最后設置近壁面邊界層并生成流體域四面體網格，分析計算模型如圖1、圖2所示。

圖1 穩態分析計算模型

圖2 除霜風道局部模型

1.2 穩態分析邊界條件

物理湍流模型使用標準k-Epsilon模型，由于除霜流場分析的氣流流速不高，空氣可視為不可壓縮。進口設定為質量流量進口，入口流量為0.112 5 kg/s，出口設為壓力出口，出口靜壓設為0 Pa。

2 除霜穩態分析目標要求

通過除霜穩態分析可以優化除霜風道及風口格柵結構，對除霜風道壓降、各風口風量分配、前擋與側窗視野區域風速覆蓋率等指標的優化有重大意義[3-5]，因而制定合適的目標要求也尤為重要。

2.1 除霜進出口壓損

通常可根據車型的供熱通風與空氣調節（Heating Ventilation and Air Conditioning, HVAC）風機性能來確定除霜模型進出口壓損的目標要求，可設在180 Pa以內。

2.2 風口風量分配

除霜風道各風口風量分配的目標要求如表1所示。

表1 流量分配目標要求

除霜風口流量分配目標要求/% 中央除霜80±6 左側除霜10±3 右側除霜10±3

2.3 玻璃視野區風速覆蓋率目標要求

前擋風與側窗玻璃各視野區表面附近風速覆蓋率要求如表2所示。

表2 各視野區表面附近風速覆蓋率目標要求

位置風速/(m/s)風速覆蓋率/% 前擋風A區＞1.5≥90±2 前擋風A'區＞1.5≥90±2 前擋風B區＞1≥95±2 側窗玻璃視野區＞1.5≥90±2

3 原始方案除霜穩態分析結果

3.1 風口風量分配

原始方案除霜進出口壓損為114 Pa，滿足設計要求，但其風口風量分配如圖3所示，其中中央除霜、左側除霜、右側除霜風量占比分別為88.4%、5.2%、6.4%，不滿足設計目標要求。

圖3 原始方案風口風量分配

3.2 玻璃視野區風速分布

原始方案前擋風玻璃視野兩側附近及側玻璃視野區域附近存在風速偏小的現象，如圖4、圖5所示，各視野區表面風速覆蓋率統計結果如表3所示，區及側玻璃視野區的風速覆蓋不滿足設計目標要求。

圖4 原始方案前擋風玻璃視野區風速分布

圖5 原始方案側窗玻璃視野區風速分布

表3 原始方案視野區表面風速覆蓋率

位置AA'區B區左視野區右視野區 風速要求/(m/s)＞1.5＞1.5＞1＞1.5＞1.5 風速覆蓋率（原始方案）/%86.089.288.110.060.0 風速覆蓋率（目標要求）/%90±290±295±290±290±2

4 除霜風道和風口格柵設計優化

綜上所述，該除霜風道穩態分析指標不滿足設計目標要求，主要存在以下2個問題：1）各除霜風口流量分配不均勻，中央除霜風量較大，左右兩側除霜風量相對較少。2）前擋風兩側區域、側窗視野區域滿足風速要求的覆蓋面積較少，尤其兩側除霜。

針對以上問題，調整除霜風道的分風導流板、側除霜風口的格柵大小及其角度，具體改進優化如下所述：

1）調整風道導流板，減少中央除霜正上方區域的分風量，增大中央側方區域及兩側除霜的風量，如圖6所示。

圖6 除霜風道導流板優化示意圖

2）增大側除霜風口格柵開口，調整橫格柵向上方傾斜的角度，提升出風高度，如圖7所示。

圖7 側除霜風口格柵優化示意圖

5 優化方案除霜穩態分析結果

5.1 風口風量分配

優化方案除霜進出口壓損為129 Pa，相比原始方案稍有增大，但滿足設計要求。優化方案其風口風量分配如圖8所示，中央除霜、左側除霜、右側除霜風量占比分別為84.2%、7.2%、8.6%，滿足設計目標要求。

圖8 優化方案風口風量分配

5.2 玻璃視野區風速分布

圖9 優化方案前擋風玻璃視野區風速分布

優化后前擋風玻璃兩側、側窗玻璃視野區風速大小均有明顯提升，如圖9、圖10所示，各視野區表面風速覆蓋率均滿足設計目標要求，優化前后統計結果見表4。

圖10 優化方案側窗玻璃視野區風速分布

表4 優化前后視野區表面風速覆蓋率

位置AA'區B區左視野區右視野區 風速要求/(m/s)＞1.5＞1.5＞1＞1.5＞1.5 風速覆蓋率（原始方案）/%86.089.288.110.060.0 風速覆蓋率/%100.0100.099.896.490.5 目標要求/%90±290±295±290±290±2

6 除霜瞬態分析

6.1 網格模型及邊界條件

除霜瞬態分析的網格模型可在穩態模型的基礎上增加玻璃、霜層固體域，玻璃層拉伸3層，厚度為4.7 mm，霜層拉伸2層，厚度為0.5 mm，玻璃及霜層網格如圖11所示。

設置玻璃及霜層的物理特性及邊界條件，車內空氣初始溫度為-18 ℃、外部溫度為-18 ℃，進口加載溫升曲線，計算時長為1 500 s，時間步長設為5 s。

6.2 除霜瞬態分析結果

通過除霜瞬態分析可預估試驗除霜效果，核驗優化后的除霜風道是否滿足除霜試驗目標要求，重點關注除霜試驗開始后20 min時間點的結果。

優化方案的前擋風玻璃及側窗玻璃除霜效果如圖12、圖13所示，20 min時各視野區域內的霜全部除盡，滿足設計目標要求。

圖11 玻璃及霜層網格示意圖

圖12 20 min時前擋風玻璃除霜效果云圖

圖13 20 min時側窗除霜效果云圖

7 除霜試驗驗證結果

按照整車除霜試驗規范要求，試驗車在-18 ℃環境倉中進行除霜效果驗證，得到前擋風玻璃、側窗玻璃的除霜試驗結果如圖14、圖15所示，試驗結果基本與瞬態分析預估的效果一致，滿足設計目標要求。

圖14 前玻璃除霜試驗結果

(a) 主駕駛側

(b) 副駕駛側

圖15 側窗玻璃除霜試驗結果

8 總結

經除霜穩態分析優化后，各性能指標有明顯改善提升，均滿足目標要求，總結如下：

1）風口風量占比：中央除霜由88.4%降低至84.2%、左側除霜由5.2%提高至7.2%、右側除霜由6.4%提高至8.6%。

2）視野區的風速覆蓋率：區、區提升至100%、區提升至99.8%、左側視野區由10%提升至96.4%、右側視野區由60%提升至90.5%。

分析結果顯示，通過除霜穩態分析能夠有效改善風量分配、視野區風速分布等重要性能指標，可快速優化提升除霜風道的性能。

優化方案的除霜瞬態分析結果與除霜試驗結果基本一致，因此，開展除霜瞬態分析能夠預估除霜試驗效果，結合瞬態分析能夠保障除霜試驗一次通過，從而降低試驗成本，提升開發效率。

[1] 張曉蘭,施俊業,陳江平.汽車擋風玻璃除霜性能數值模擬[J].汽車工程,2007,29(11):1009-1013.

[2] 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.

[3] 張群峰,劉偉秀,馬鐵利,等.基于非結構化網格的汽車除霜風道數值模擬[J].汽車技術,2009(7):34-37.

[4] 吳金玉,陳江平.汽車空調除霜系統CFD研究及優化[C]//上海市制冷學會2007年學術年會論文集.上海:上海市制冷學會,2007:280-282.

[5] KUMAR V,TARE K,KAPOOR S.Deployment of CFD for Optimization of the Air Flow Distribution over the Windscreen and Prediction of Defrost Performance [J].SAE Technical Papers,2010-01-1059.

Performance Optimization of Defrosting Duct for Commercial Vehicle Based on CFD

ZHU Shaowei, CUI Zhen, LIU Xiuzhi, SHANG Cheng

( Automobile Research Institute,Zhejiang Feidi Motors Company Limited Wuzheng Branch Company, Rizhao 276800, China )

In order to meet the defrosting performance requirements of commercial vehicles and shorten the development time, CFD analysis method is used to optimize the defrosting duct for a commercial vehicle.Firstly, some performances should meet the design goals through steady state analysis during design stage, including the pressure loss of defrosting duct, air volume distribution of air outlet, wind speed coverage in the view of front and side windows field;and then transient analysis is used to predict the defrosting effect by loading temperature rise curve at the air outlet;finally, the optimized air duct defrost verification test is conducted through the actual sample vehicle.The results show that the defrosting performance meets the target requirements,and the CFD virtual verification can reduce the research and development cost and improve the development efficiency.

Defrosting duct for commercial vehicle;CFD;Performance optimization;Defrosting transient analysis

U463.85+1

A

1671-7988(2023)10-74-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.015

朱紹偉（1990—），男，工程師，研究方向為流體分析，E-mail:920272873@qq.com。