汽車除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)除霜性能的影響

汽車除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)除霜性能的影響

汽車玻璃的去除性能是汽車安全的重要指標(biāo)。提高汽車驅(qū)霜性能非常重要，以前進(jìn)行了幾次研究。例如,Fredrik在不影響駕駛員和乘客的舒適性的情況下,通過提高擋絕熱性改善風(fēng)玻璃的除霜和除霧性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)窗玻璃經(jīng)過兩面拋光等一系列處理后熱損失減少表面溫度提高了15℃(在低溫環(huán)境下),而且還可以防止霜的形成;但是這樣做會(huì)增加重量和成本,為了不增加被測(cè)重量,建議用化學(xué)回火來提高玻璃的絕熱性。H.Takada采用12V電加熱系統(tǒng)加熱擋風(fēng)玻璃,防止在玻璃上積霜。AbdulNour,B.S.采用等溫流場(chǎng)求解的CFD除霜模擬方法。Brewster,R.A.等人建立了三維擋風(fēng)玻璃模型,使用CFD軟件STAR-CD,通過求解非線性焓-溫度關(guān)系式分析擋風(fēng)玻璃上水/冰層的融化。特別是BasharS.AbdulNour采用兩步法,即分開求解等溫流場(chǎng)和能量方程的方法對(duì)擋風(fēng)玻璃除霜性能進(jìn)行了模擬,但是在分析除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)除霜性能的影響時(shí)沒有進(jìn)行進(jìn)一步具體比較。本文準(zhǔn)備采用CFD對(duì)兩種除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)的除霜性能進(jìn)行數(shù)值模擬,分析比較兩種除霜風(fēng)道對(duì)除霜性能的影響。1除霜裝置的優(yōu)化改造汽車擋風(fēng)玻璃的除霜可以通過加熱玻璃或提高玻璃附近的空氣溫度,并提高周圍空氣的吸水能力。除霜器除霜性能的設(shè)計(jì)參數(shù)有除霜器噴嘴出口位置、氣流沖撞角度、噴嘴的截面積和幾何形狀等,噴嘴出口的數(shù)量還取決于相關(guān)空間,其中最重要的參數(shù)是沖撞角度和氣流速度;優(yōu)化這兩個(gè)參數(shù)可以確保從除霜器噴嘴出來的氣流沿著擋風(fēng)玻璃流動(dòng),并盡可能避免從擋風(fēng)玻璃上分離出來,同時(shí)保證擋風(fēng)玻璃和儀表盤之間的氣流循環(huán)最少。目前,優(yōu)化除霜性能主要采用優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)、有效利用撞擊壓力以及盡可能讓除霜器噴嘴噴出的熱干空氣覆蓋窗戶的表面等幾種方法。為了提高除霜性能,應(yīng)控制車室內(nèi)的氣流、除霜器噴嘴的位置和排風(fēng)量的密度;考慮到排風(fēng)量和夾帶空氣之間的相互作用,還可以通過調(diào)整側(cè)窗玻璃調(diào)風(fēng)裝置葉片和通風(fēng)管道角度來優(yōu)化除霜功能。循環(huán)流動(dòng)會(huì)引起能量損失,損失的多少不僅受除霜風(fēng)道的影響,還受吹風(fēng)處與擋風(fēng)玻璃之間的角度的影響;循環(huán)流動(dòng)還會(huì)增加對(duì)氣流的干擾,例如當(dāng)噴射處的氣流和擋風(fēng)玻璃之間角度增加時(shí),會(huì)使擋風(fēng)玻璃頂部的氣流分離出來影響除霜效果,并可能影響乘客頭部的舒適性。當(dāng)汽車在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí),窗玻璃因外表面風(fēng)速升高而傳熱率升高導(dǎo)致玻璃表面溫度下降,所以汽車在高速行駛中更易結(jié)霜。有效利用撞擊壓力增加空氣吸入量(空氣流量與車速的增量成比例),可以解決氣流分離的問題。利用CFD軟件對(duì)汽車擋風(fēng)玻璃除霜風(fēng)器的除霜性能進(jìn)行模擬過程如圖1所示,模擬工作應(yīng)盡可能精確地描述重要物理現(xiàn)象,探索所需要的幾何特征,并縮短反饋時(shí)間。2u3000液相分?jǐn)?shù)研究對(duì)象由車室內(nèi)部、玻璃和冰層組成:計(jì)算模型對(duì)車室內(nèi)部的結(jié)構(gòu)作了簡(jiǎn)化,包括風(fēng)道、封閉的車室內(nèi)部以及座椅(圖2)。冰層厚度按照GB11556-94《汽車風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)性能要求》中的規(guī)定計(jì)算,即按0.044g/cm2乘以風(fēng)窗玻璃面積值計(jì)算水量,并均勻地分布在玻璃外表面上形成均勻的冰層。本文準(zhǔn)備首先確定噴嘴和車室內(nèi)的穩(wěn)態(tài)等溫流場(chǎng),然后通過這個(gè)流場(chǎng)解得能量方程的瞬態(tài)溫度,最后計(jì)算整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和冰層的融化情況。等溫流場(chǎng)采用不可壓縮流體標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型:(1)連續(xù)方程?Ui?Xi=0?Ui?Xi=0(2)動(dòng)量方程?(UiUj)?Xj=??Xj(Pρ+23k)+??Xj[vt(?Uj?Xj+?Uj?Xi)]??Uj?t?(UiUj)?Xj=??Xj(Ρρ+23k)+??Xj[vt(?Uj?Xj+?Uj?Xi)]-?Uj?t(3)k方程?k?t+?(kUj)?Xj=??Xj(vtσk?k?Xj)+vtS?ε?k?t+?(kUj)?Xj=??Xj(vtσk?k?Xj)+vtS-ε(4)ε方程?ε?t+?(εUj)?Xj=??Xj(vtσε?ε?Xj)+(C1vtS?C2ε)εkS=(?Ui?Xj+?Uj?Xi)?Ui?Xjvt=Cμk2/ε?ε?t+?(εUj)?Xj=??Xj(vtσε?ε?Xj)+(C1vtS-C2ε)εkS=(?Ui?Xj+?Uj?Xi)?Ui?Xjvt=Cμk2/ε式中:Ui為平均速度,k為動(dòng)能,ε為耗散量,ρ為密度,vt為粘度,C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。在除霜模型瞬態(tài)計(jì)算中,冰水固液混合物被作為一種流體來處理,根據(jù)固態(tài)溫度Ts和液態(tài)溫度Tl定義液相分?jǐn)?shù)β,用來判定各單元中相變狀況。h=href+∫TTrefCpdTh=href+∫ΤrefΤCpdΤ其中:href為參考焓,Tref為參考溫度,Cp為定壓比熱。定義液相分?jǐn)?shù)β:β=0,若T＜Tsoli；β=1,若T＜Tliquidus；β=T?TsolidusTliquidus?Tsolidus?若Tsolidus＜T＜Tliquidusβ=0,若Τ＜Τsoli；β=1,若Τ＜Τliquidus；β=Τ-ΤsolidusΤliquidus-Τsolidus?若Τsolidus＜Τ＜Τliquidus則潛熱ΔH˙=βLΔΗ˙=βL。能量方程可化為:??t(ρH)+??((ρv˙H))=??(κ?T)+S??t(ρΗ)+??((ρv˙Η))=??(κ?Τ)+S其中,H為焓,ρ為密度,v˙v˙為流體速度,S為源項(xiàng)。3最佳風(fēng)道結(jié)構(gòu)的建立及驗(yàn)證整個(gè)模型采用四面體網(wǎng)格,并在擋風(fēng)玻璃和除霜器噴嘴附近進(jìn)行網(wǎng)格加密,圖3和圖4顯示了車室和除霜器噴嘴處的面網(wǎng)格。模型的計(jì)算需要設(shè)定空氣、玻璃層和冰層的物性,本文在等溫流場(chǎng)的計(jì)算中采用了常溫293K(20℃)時(shí)的空氣物性。邊界條件的設(shè)置:噴嘴入口為均勻速度(假設(shè)噴嘴入口和車室出口的流線是垂直的),車室后部出口表壓設(shè)為0Pa。為了模擬除霜性能,本文將在相變過程中冰層的物性設(shè)為溫度的分段線性函數(shù);由于融化的水運(yùn)動(dòng)較慢,所以直接用靜止的冰水混合物來近似模擬。另外,在瞬態(tài)計(jì)算時(shí),本文通過加熱曲線模擬除霜風(fēng)道入口氣流溫度。除霜風(fēng)道A的結(jié)構(gòu)如圖5所示,通過數(shù)值模擬可以得到汽車擋風(fēng)玻璃上的速度分布圖(圖6)和風(fēng)量分布情況(表1:左側(cè)8.36%,左中央38.1%,右中央53.5%,右側(cè)0.018%);可以看到擋風(fēng)玻璃右側(cè)的風(fēng)量明顯偏小,右中央的風(fēng)量比左中央大了15.4%。從速度分布圖6還可以看到,由于風(fēng)道風(fēng)量分配的不均,在擋風(fēng)玻璃左側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)V型區(qū)域的低速區(qū),并且在右下方區(qū)域也出現(xiàn)低速區(qū),這些區(qū)域吹到風(fēng)量較少。從15min,20min除霜效果圖(圖7)看出(紅色區(qū)域液態(tài)分?jǐn)?shù)是1,表明霜層已經(jīng)完全融化;藍(lán)色區(qū)域液態(tài)分?jǐn)?shù)為0,表明霜層尚未解凍。),在相應(yīng)的區(qū)域的除霜效果不理想,出現(xiàn)除霜V型死區(qū)。因此,應(yīng)適當(dāng)改進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu),把風(fēng)量分配得均勻,以便進(jìn)一步改善除霜性能。改進(jìn)后的除霜風(fēng)道B結(jié)構(gòu)如圖8所示,在風(fēng)道入口處增加公共風(fēng)道,利用公共風(fēng)道將風(fēng)量分配到兩側(cè)風(fēng)道中。除霜風(fēng)道B的風(fēng)量分布為左側(cè)9.4%,左中央39.0%,右中央42.5%,右側(cè)9.1%,(表1),風(fēng)量分配的均勻性大為改善;從圖8擋風(fēng)玻璃速度分布圖可以看出,模型B的V字型區(qū)域明顯減小,右下方的低速區(qū)也減小了。從除霜過程對(duì)比圖(圖9)還可觀察到兩種模型除霜性能的計(jì)算結(jié)果:模型A和模型B擋風(fēng)玻璃上的冰層分別從3.5min和4.5min開始融化,首先除霜的區(qū)域在擋風(fēng)玻璃靠近噴嘴處并且靠近司機(jī)側(cè);隨著時(shí)間的增加,除霜區(qū)域慢慢地開始擴(kuò)大計(jì)算結(jié)果還表明:模型A冰層開始融化的區(qū)域呈點(diǎn)狀和塊狀分布,而模型B冰層融化區(qū)域是連續(xù)分布;隨著時(shí)間的增加,模型B的融冰速度逐步和模型A相近;但在15min時(shí)模型A的擋風(fēng)玻璃上出現(xiàn)了融冰較慢的明顯V型區(qū)域,而模型B則避免產(chǎn)生這一情況。通過比較還可以看到:改進(jìn)后的模型B,左右側(cè)風(fēng)量分布更均勻,并且在除霜過程中可以避免產(chǎn)生V型區(qū)域,增加了除霜面積;雖然噴嘴角度沒有作改動(dòng),但是通過改變風(fēng)道入口結(jié)構(gòu)改變噴射氣流的噴射角度和方向,也可以影響擋風(fēng)玻璃上氣流分布情況,從而改善了除霜性能。4最佳模型的建立采用CFD方法對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的除霜風(fēng)道的汽車擋風(fēng)玻璃除霜性能進(jìn)行模擬,結(jié)果表明:(1)通過