基于環(huán)境艙除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

基于環(huán)境艙除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

0離霜性能要求為《國汽車玻璃扶手的性能是汽車安全的重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到駕駛員的駕駛視野。完善汽車蓋部的性能非常重要。目前除霜性能國家標(biāo)準(zhǔn)只針對M1類車型,對商用車無相關(guān)要求,但商用車除霜性能要求可以借鑒GB11555—2009《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》。在北方寒冷地區(qū)的冬季,某款輕型客車風(fēng)窗玻璃除霜效果較差,即前擋風(fēng)玻璃上的冰融化較慢,與國家標(biāo)準(zhǔn)除霜要求有一定的差距,駕駛員的行車安全受到很大影響。針對該款輕型客車存在的除霜效果不佳問題,文中使用STAR-CCM+軟件對除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,通過優(yōu)化前后兩種除霜風(fēng)道對汽車前擋風(fēng)玻璃除霜性能影響的比較,表明優(yōu)化后除霜風(fēng)道的除霜性能得到顯著提升,通過環(huán)境艙除霜試驗(yàn)得到驗(yàn)證,為汽車除霜系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。1一輛中型客車的除霜系統(tǒng)1.1除霜風(fēng)道前后市場的結(jié)霧現(xiàn)象該款輕型客車除霜系統(tǒng)是將鼓風(fēng)機(jī)吸進(jìn)來的車外冷風(fēng),經(jīng)加熱器加熱后,由除霜風(fēng)道吹到前擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗玻璃,通過熱對流、熱傳導(dǎo)方式,融化風(fēng)窗玻璃外表面的冰,同時也可循環(huán)風(fēng)窗玻璃附近的空氣,避免風(fēng)窗玻璃內(nèi)表面溫度比車廂內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度低而發(fā)生結(jié)霧現(xiàn)象,見圖1。1.2未除霜痕跡該款輕型客車在環(huán)境艙進(jìn)行除霜試驗(yàn),其除霜效果如圖2所示,表1為其前擋風(fēng)玻璃實(shí)際除霜面積比值。由圖2可知,每5min除霜蹤跡圖相差甚小,燃燒點(diǎn)偏低,位于B區(qū)下邊界的下方,前擋風(fēng)玻璃上部和兩側(cè)霜均未除去。由表1可知,20min時A區(qū)冰層未融化,25min時A’區(qū)冰層也沒有融化,而40min時B區(qū)冰層融化35.7%,與國標(biāo)除霜要求有一定的差距,其除霜效果較差。1.3前耐霜性能分析通過風(fēng)速儀測量,該輕型客車前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布情況如圖3所示。由圖3可知,前擋風(fēng)玻璃兩側(cè)風(fēng)速偏小或無風(fēng)經(jīng)過,影響其除霜效果。選擇除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)對前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布及其除霜性能的影響進(jìn)行CFD分析。2新一代cfd求解器STAR-CCM+是CD-adapco公司采用最先進(jìn)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù)開發(fā)的新一代CFD求解器。軟件的一體化集成環(huán)境、高重復(fù)性和適用性是其被譽(yù)為新一代CFD軟件的最強(qiáng)閃光點(diǎn),目前廣泛應(yīng)用于汽車外流場、乘員艙舒適性、空調(diào)系統(tǒng)、除霜除霧性能和發(fā)動機(jī)艙熱管理等方面分析。2.1模型的構(gòu)建和網(wǎng)格的劃分2.1.1前懸架的模型研究對象由車廂內(nèi)部、除霜風(fēng)道、出風(fēng)格柵、風(fēng)窗玻璃和冰層組成。計算模型對車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)作了簡化,但除霜風(fēng)道的形狀、大小和尺寸未作任何簡化,而且前擋風(fēng)玻璃已經(jīng)劃分好A區(qū)、A’區(qū)和B區(qū),在除霜風(fēng)道入口添加一個面,作為入口邊界,在車身尾部開一個長方形出口,出口的面積與入口的面積大致相等,這樣形成封閉的求解計算域。初步劃分各個面的網(wǎng)格,導(dǎo)出.nas格式文件后導(dǎo)入到STAR-CCM+,簡化后的除霜分析模型如圖4所示。2.1.2求解域的體網(wǎng)格整個計算模型采用四面體網(wǎng)格,設(shè)置邊界層(除入口、出口之外):厚度為4mm,層數(shù)為3層,增長比為1.5,得到求解域的體網(wǎng)格數(shù)量為6520245。2.2材料物理、參數(shù)和邊界條件的定義2.2.1空氣湍流模型計算中流體區(qū)的材料物性參數(shù)均為常數(shù),取默認(rèn)值,假定空氣為不可壓縮氣體,常密度,湍流模型為RealizableK-epsilon模型,空間離散采用二階迎風(fēng)差風(fēng)格式,迭代方式選用Simple算法。2.2.2試驗(yàn)測量計算邊界條件:(1)入口邊界為質(zhì)量流量入口:左除霜風(fēng)道入口體積流量為145.88m3/h,右除霜風(fēng)道入口體積流量為125.68m3/h,其值由HVAC風(fēng)量分配試驗(yàn)測量得到,速度均勻分布,方向垂直于邊界,溫度為300K;(2)出口邊界為壓力出口,取背壓,0Pa;(3)其他邊界為壁面邊界;(4)初始條件:速度為0m/s,環(huán)境溫度為300K。2.3穩(wěn)態(tài)計算分析一般情況下,最有效的除霜方法是使熱風(fēng)在到達(dá)前擋風(fēng)玻璃后盡快地達(dá)到湍流流動,并且盡可能地覆蓋其內(nèi)表面,增加換熱面積,進(jìn)而增加換熱量。穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果可以用來判定氣流擊點(diǎn)位置和速度場分布是否合理,然后可以作為提出整改的依據(jù)。該款輕客除霜風(fēng)道模型(模型A)如圖5所示,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算分析,可以得到前擋風(fēng)玻璃的速度場分布,如圖6所示。由圖6看出,前擋風(fēng)玻璃中間區(qū)域風(fēng)速較大些,兩側(cè)風(fēng)速偏小或無風(fēng)經(jīng)過。2.4優(yōu)化后，除霜風(fēng)道穩(wěn)定2.4.1除霜風(fēng)道優(yōu)化意見由圖6模型A前擋風(fēng)玻璃的速度場分布可知,兩側(cè)風(fēng)速偏小,中間風(fēng)速較大,可以判斷,中間冰層融化快,兩側(cè)冰層融化慢。于是提出了除霜風(fēng)道優(yōu)化意見,通過導(dǎo)流板的形狀、位置來減少中間出風(fēng)口風(fēng)量,增加兩側(cè)出風(fēng)口風(fēng)量,即:(1)左側(cè)導(dǎo)流板沿著內(nèi)壁向下延長40mm;(2)中間導(dǎo)流板逆時針旋轉(zhuǎn)一定的角度,并與左側(cè)導(dǎo)流板相連接;(3)右側(cè)導(dǎo)流板順時針旋轉(zhuǎn)25°。圖7為優(yōu)化后的除霜風(fēng)道模型(模型B)。2.4.2最佳前玻璃的速度分布圖8為該輕客除霜風(fēng)道優(yōu)化后前擋風(fēng)玻璃的速度場分布。由圖8可以看出,優(yōu)化后前擋風(fēng)玻璃兩側(cè)有風(fēng)經(jīng)過,而且風(fēng)速達(dá)到2.5m/s,中間區(qū)域也有風(fēng)經(jīng)過,其速度分布效果明顯好于優(yōu)化前的效果。2.5瞬態(tài)計算分析瞬態(tài)計算結(jié)果可以直觀地對照除霜國標(biāo)而判定除霜性能是否合格,同時也是承啟穩(wěn)態(tài)計算和試驗(yàn)驗(yàn)證的必要步驟。選擇優(yōu)化后的除霜風(fēng)道模型B進(jìn)行瞬態(tài)計算分析。瞬態(tài)計算開始前,分別拉伸前擋風(fēng)玻璃、左右側(cè)窗玻璃層5層,總厚度為5mm,增長比為1。瞬態(tài)計算時,設(shè)置霜層厚度為0.5mm,環(huán)境溫度為255K,設(shè)置玻璃和冰層物性為默認(rèn)值,計算2400s,步進(jìn)1s,每步迭代10次。選擇HVAC出風(fēng)溫度曲線作為計算域入口的溫度曲線,圖9為HVAC出風(fēng)溫度曲線。在穩(wěn)態(tài)計算所得到的等溫流場分析基礎(chǔ)上,采用基于邊界熱流的經(jīng)驗(yàn)算法開始進(jìn)行瞬態(tài)計算,圖10為優(yōu)化后除霜風(fēng)道不同時刻所對應(yīng)前擋風(fēng)玻璃的融冰圖。上述仿真分析結(jié)果可以看出:(1)12min時,霜層開始融化;(2)20min時,A區(qū)霜層融化約30%;(3)25min時,A區(qū)霜層融化約80%,A’區(qū)霜層融化約40%;(4)40min時,B區(qū)的霜層全部融化。綜上分析結(jié)果可知,模型B除霜性能未達(dá)到國標(biāo)要求,但模型B除霜性能優(yōu)于模型A。3優(yōu)化前后前私家車內(nèi)的融霜面積除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)整改優(yōu)化后在環(huán)境艙按照GB11555—2009要求的環(huán)模進(jìn)行除霜試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證CFD仿真分析的準(zhǔn)確性、精確性,同時也驗(yàn)證其優(yōu)化后的除霜性能是否提升。圖11為該輕型客車在進(jìn)行環(huán)境艙除霜試驗(yàn)。在環(huán)境艙中進(jìn)行﹣18℃的除霜試驗(yàn),間隔5min描繪前擋風(fēng)玻璃融霜跡線圖。圖12為某輕型客車除霜風(fēng)道優(yōu)化后環(huán)境艙試驗(yàn)除霜效果圖。試驗(yàn)結(jié)果表明,10min時,霜層開始融化;20min時,A區(qū)的霜層融化約20%;25min時,A’區(qū)霜層融化約25%;40min時,B區(qū)霜層融化約85%。該輕型客車除霜風(fēng)道優(yōu)化前后前擋風(fēng)玻璃除霜面積比例值見表2。由表2可以得知除霜風(fēng)道優(yōu)化后,其除霜性能得到顯著提升。對標(biāo)試驗(yàn)與仿真計算結(jié)果,除霜前期15min,試驗(yàn)融霜速度明顯快于CFD計算的融霜速度;15min以后,剛開始時CFD計算的融霜速度稍快于試驗(yàn)融霜速度,慢慢地越來越快,最后快了約5min。雖然時間上有些差異,但是從融霜趨勢和分布上來看,CFD計算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果是基本相符的。4汽車雨林除霜性能優(yōu)化設(shè)計1)采用CFD方法通過求解乘員艙及除霜風(fēng)道等溫流場和