風窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能分析

風窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能分析

近年來，一些國外科學家利用計算力學來計算車輛風窗玻璃的價值，加強了該領域的研究工作。BasharS.AbdulNour利用商業(yè)化計算流體力學(CFD)軟件Fluent對汽車除霜器流場進行了數(shù)值模擬,對比試驗結果,認為CFD模擬是研究車輛風窗玻璃除霜系統(tǒng)流場特性的一種有效手段。Brewster等用焓法通過CFD預測擋風玻璃上的除冰圖案。本文針對某車型車輛風窗玻璃除霜系統(tǒng)試驗情況,利用Fluent對該車的試驗進行數(shù)值模擬重現(xiàn),計算除霜風道出風口風量、風道和客艙內的流線分布、前擋風玻璃上的速度分布圖和瞬態(tài)的除霜過程,找出除霜系統(tǒng)性能差的原因,并對該系統(tǒng)進行改進,保證該車的除霜性能滿足國標要求。對某新開發(fā)車型進行了軟工裝車的除霜預試驗,試驗按照國標要求在-30℃工況下進行,試驗中記錄了暖風機出口平均風速、暖風機出口溫度(圖1)和霜層融化過程(圖2,圖中的數(shù)字和曲線表示在不同時間時融霜區(qū)的位置,即數(shù)字代表時間,曲線表示融霜區(qū)位置。圖7～10所示區(qū)域劃分大體與此圖類似,不再標注)。1除霜數(shù)值模擬的計算模型利用Fluent進行數(shù)值分析的流程如圖3所示。分析圖2發(fā)現(xiàn),該車的除霜性能在20、25、40min時刻均達不到國標要求。除霜數(shù)值模擬的計算模型包括車室(圖4)、玻璃和霜層。車室包括風道(圖5)、封閉的車室內部以及艙內較大的附件(如座椅等)。整個網格劃分采用非結構四面體網格,在玻璃內側生成邊界層,通過拉伸生成玻璃和霜層網格(圖6)。2管口的流場分布數(shù)值模擬主要分兩個過程:1)穩(wěn)態(tài)的等溫空氣動力學分析,主要考查風管噴嘴的氣流方向、速度、玻璃上的速度分布等;2)瞬態(tài)的除霜模擬,通過從流場的穩(wěn)態(tài)求解獲得能量方程的瞬態(tài)求解來計算整個流場區(qū)域的瞬態(tài)溫度場和冰層的融化情況。2.1在穩(wěn)態(tài)流動模型中流體為空氣,采用常溫293K(20℃)時的物性。用二階離散方法來求解流場方程。求解收斂標準為殘差<10-3。標準k-ε模型的輸運方程為??t(ρk)+??xi(ρkui)=??xj[(μ+μtσk)?k?xj]+Gk+Gb?ρε?YM+Sk;(1)??t(ρk)+??xi(ρkui)=??xj[(μ+μtσk)?k?xj]+Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk;(1)??t(ρε)+??xi(ρεui)=??xj[(μ+μtσε)?ε?xj]+C1εεk(Gk+C3εGb)?C2ερε2k+Sε;(2)??t(ρε)+??xi(ρεui)=??xj[(μ+μtσε)?ε?xj]+C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2k+Sε;(2)μt=ρCμk2εμt=ρCμk2ε。(3)式中:Gk為由平均速度矢量得到的湍流動能;Gb為由浮力產生的湍流動能;YM為可壓縮湍流引起的可變膨脹對全局耗散率的作用,由于本文研究流場為不可壓湍流模型,所以該式中YM=0;σk、σε分別為k和ε的湍流普朗克數(shù),模型常量σk=1.0,σε=1.3;Sk、Sε為用戶自定義項;ρ為密度;ui為氣流速度;常量系數(shù)C1ε=1.4;C2ε=1.92;C3ε=1.86;μt為湍流粘性系數(shù),其中Cμ=0.09。(1)邊境條件模型使用除霜風道的進口作為平均速度入口,平均速度由試驗測出(3m/s),取模型背部為壓力出口邊界條件,背壓為0。(2)噴嘴流量分析為了達到除霜性能標準,除霜器噴嘴處的氣流必須具備以下條件:①噴嘴的流量分配滿足要求;②氣流吹在整個擋風玻璃和側窗玻璃的內表面,并保證大部分氣流不會從玻璃上脫離;③氣流必須具有足夠的動量,能繼續(xù)吹到擋風玻璃的上邊緣;④減少擋風玻璃和儀表盤夾角邊緣的空氣再循環(huán)。計算過程中對風管4個噴嘴處的質量流量進行監(jiān)測,噴嘴的質量流量分配如表1。從噴嘴的流量分配數(shù)據(jù)來看,根據(jù)工程經驗,該車風道分配的流量較為合理,流量分配能夠滿足前擋風玻璃的除霜性能要求。分析圖7a可以看出:該風道使噴嘴到前擋風玻璃上的流線分布較為合理,滿足條件②,該風道也能滿足條件④;圖7b速度分布表明:前擋風玻璃A區(qū)和A′區(qū)的速度分布大多在1m/s以下,A區(qū)和A′區(qū)中上部分氣流速度甚至低于0.5m/s,就是說氣流沒有足夠的動量,不能繼續(xù)吹到A區(qū)和A′區(qū)的中上部分。在圖2中A區(qū)和A′區(qū)的中上部分霜層基本沒有融化,從25～40min過程中隨溫度逐漸升高,理論上霜層的融化速度應該加快,即間隔相同時間內霜層融化位置曲線間距應該逐漸增大,但試驗情況卻恰恰相反。由此,初步推測噴嘴氣流沒有具備足夠的動量是導致該車除霜試驗失敗的主要因素。2.2將霜層國家火力器作熱壓監(jiān)測,分析原理說明環(huán)境模型用焓法求解擋風玻璃融冰的瞬態(tài)問題。通過試驗數(shù)據(jù)編譯入口溫度的曲線代入求解,采用二階離散方法來求解能量方程,能量收斂的殘差標準<10-6,使用intialize→patch初始化時在軟件中設置工作氣流溫度降到-30℃以下,試驗中環(huán)境溫度為-30±3℃,分析的環(huán)境溫度值取-30℃。對于除霜模型問題,能量方程為??t(ρH)+??(ρvH)=??(k?T)+S??t(ρΗ)+??(ρvΗ)=??(k?Τ)+S。(4)式中:H為焓;ρ為密度;v為流體速度;S為源項。求解過程中設定霜層融化動畫,每20s保存一次圖片,圖片的視角方向與駕駛員的視角方向相同,各個典型時刻的霜層融化比例如圖8所示,對比前擋風玻璃霜層融化過程曲線,可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬的霜層開始融化的時間節(jié)點和融化區(qū)域均與圖2吻合;1200、1500、2400s各時間段霜層的融化區(qū)域與形狀也與試驗較為吻合。3前日照時數(shù)內氣流速度分布為了解決噴嘴氣流不具備足夠動量的問題,在現(xiàn)有模型的基礎上加大除霜風道入口速度來提高噴嘴處氣流的動量。除霜風管的入口速度由原來的3m/s提高為6m/s,再次對此模型進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的模擬。從前擋風玻璃的速度分布(圖9)可以看出,前擋風玻璃A區(qū)和A′區(qū)的速度分布較為均勻,A區(qū)和A′區(qū)中下部分氣流速度在3～4m/s,A區(qū)和A′區(qū)中上部分的氣流在1.5～2.5m/s,氣流具有足夠的動量吹到前擋風玻璃的上緣。從瞬態(tài)的除霜過程模擬中可以看到:900s和1200s的霜層融化區(qū)域完全滿足國標的要求。通過以上分析,建議加大該車除霜風道入口的氣流速度。由于空調系統(tǒng)總布置的局限性,要提高除霜風道的入口速度只能加大鼓風機的風量,更換大流量的鼓風機,使入口速度為6m/s,再次進行除霜試驗(圖10),通過對比試驗與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):兩者霜層融化過程雖不完全一致,但除霜的整體區(qū)域十分相近,除霜面積相差不大,試驗結果與數(shù)值模擬較為接近,車輛風窗玻璃區(qū)域在25min基本實現(xiàn)了除霜,該車的除霜性能達到了國標要求。4測試試驗結果(1)在噴嘴的結構、噴射氣流的位置與方向達到要求后,除霜噴嘴氣流