汽車空調(diào)除霜性能的CFD模擬

熱設(shè)計 2020-12-25

1 前言

冬天氣溫下降到零度以后，停在戶外的汽車玻璃上會結(jié)上一層冰霜，特別是在我國北方地區(qū)，結(jié)在汽車玻璃上的霜凍會嚴(yán)重影響駕駛員的視野，對行車安全產(chǎn)生危害。因此，有效的除霜系統(tǒng)是十分必要的，它應(yīng)該盡可能快地除去車窗玻璃上的霜層。為此SAE發(fā)展了一套工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括標(biāo)準(zhǔn)的試驗過程和汽車前風(fēng)擋除霜系統(tǒng)的性能指標(biāo)。不同的國家和不同的汽車制造商也有自己對此的標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)GB11555-94對汽車的除霜系統(tǒng)性能做出了嚴(yán)格的規(guī)定[2] 。

本文主要介紹了在某車型的除霜系統(tǒng)的開發(fā)過程中，利用 CFD 軟件 STAR-CD 對其進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)情形下的全熱除霜模式下的 CFD 分析，得出了除霜風(fēng)道各出風(fēng)口的風(fēng)量分配，風(fēng)道和乘客艙內(nèi)的速度矢量和壓力分布，特別是前擋風(fēng)玻璃和前側(cè)窗上的速度矢量圖。根據(jù) CFD 分析結(jié)果，提出風(fēng)道設(shè)計的改進(jìn)建議，并根據(jù)修改方案修改除霜風(fēng)道數(shù)模，最終得到了滿足設(shè)計要求的除霜系統(tǒng)。

2.計算模型的建立及方案確定

2.1 幾何模型建立

根據(jù)某車型的三維 CAD 實體模型，分別選擇 HVAC、風(fēng)道和車身的內(nèi)表面生成模擬空間。考慮到汽車產(chǎn)品的復(fù)雜性，為了節(jié)約時間和減少網(wǎng)格數(shù)量，在不影響模擬精度的前提下，需要對車廂內(nèi)表面做一些簡化處理。但對模擬的關(guān)鍵部件，如 HVAC、風(fēng)道等的細(xì)部結(jié)構(gòu)則應(yīng)盡量保留，如圖 1 所示。

由于 CFD 網(wǎng)格劃分需要在一個封閉的空間內(nèi)進(jìn)行，而 CAD 模型之間有一些縫隙和漏洞，如果直接在 CAD 軟件中進(jìn)行模型的前處理，需要花費大量的時間和精力，因此，我們采用先在 Hypermesh 中劃分三角形的表面網(wǎng)格，如圖 2 所示，這樣表面的連接和修補(bǔ)相對容易，然后輸出為 Patran 格式，再導(dǎo)入到 ICEM-CFD 中生成體網(wǎng)格。根據(jù)劃分網(wǎng)格的重要性，不同的表面在 Hypermesh 中分成不同的組，導(dǎo)入到 ICEM-CFD 后會分成不同的 Family。

2.2 網(wǎng)格生成

在本次分析中，采用 ICEM-CFD 劃分 CFD 體積網(wǎng)格，如圖 3 所示。由于幾何造型的復(fù)雜性，為精確模擬風(fēng)道等細(xì)節(jié)，決定采用四面體網(wǎng)格。為減少網(wǎng)格生成所花時間，對于未改變幾何的部分采用網(wǎng)格繼承方法，不做修改。由于風(fēng)道系統(tǒng)是優(yōu)化重點，所以把超過50%的單元數(shù)放在風(fēng)道內(nèi)部，以強(qiáng)化對風(fēng)道流動細(xì)節(jié)的了解。另外在前風(fēng)擋、前側(cè)窗、除霜隔柵和人體表面，網(wǎng)格也需要細(xì)化。

2.3 邊界條件

本分析采用以 HVAC 的進(jìn)口為入口，為 INLET 邊界條件。出口條件設(shè)在經(jīng)過處理的后擋風(fēng)下延的出風(fēng)位置處，為 Pressure 壓力邊界條件，并在原有出口表面上拉伸出一條通道，以防止出口邊界上有回流產(chǎn)生。

2.4 計算過程

算法：SIMPLE 算法；

格式：二階迎風(fēng)格式（MARS）；

最大殘差：0.001；

求解方法：AMG；

在本設(shè)計中采用高雷諾數(shù)k－ε模型，它經(jīng)證明適用于模擬汽車內(nèi)外流場這種高雷諾數(shù)的情況[1] 。

由以上可知，本次 CFD 分析過程主要包括建立數(shù)學(xué)物理模型、數(shù)值算法求解及結(jié)果可視化三部分，如圖 4 所示。

3.計算結(jié)果分析

經(jīng)過分析，我們得到了除霜風(fēng)道各出風(fēng)口的流量分配以及風(fēng)道和駕駛室內(nèi)的壓力和速度矢量分布等，并針對風(fēng)量分配的大小及部分區(qū)域存在渦流的情況，對風(fēng)道入口大小及風(fēng)道形狀進(jìn)行了更改。本次設(shè)計前后進(jìn)行了四輪更改和分析，最后得到了比較滿意的結(jié)果。下面主要以前擋風(fēng)玻璃和前側(cè)窗上的速度矢量分布的變化介紹了本次設(shè)計的優(yōu)化更改過程。

3.1 第一輪分析結(jié)果

經(jīng)過第一輪分析，存在的問題是：側(cè)除霜風(fēng)口主流動區(qū)與側(cè)窗的交點偏后偏上，影響駕駛員觀察外后視鏡的視線；另外，中央擋風(fēng)玻璃上的除霜面積偏小偏上，如圖 5 所示。我們第一輪首先集中精力調(diào)整側(cè)除霜，具體方案是：調(diào)整側(cè)出風(fēng)口格柵角度，使之由原來的橫向改成縱向放置，片數(shù)改為兩片，方向朝側(cè)窗，以使側(cè)除霜的氣流出口相對于側(cè)窗而言更靠前和靠下。

3.2 第二輪分析結(jié)果

在這輪分析中，側(cè)除霜吹點前后方向的位置點已基本符合要求，但上下方向位置略微偏低；另外前風(fēng)擋駕駛員和副駕駛員側(cè)頭部附近存在回流區(qū)，如圖 6 所示。辦法是對除霜格柵角度進(jìn)行微調(diào)，使側(cè)除霜氣流略向上移；調(diào)整中央除霜格柵的角度使兩側(cè)各自的氣流以扇形展開，從而在前風(fēng)擋形成覆蓋 AB 區(qū)的速度均勻的流場；另外將前風(fēng)擋格柵的流通面積加大，所有封閉柵段全部打開，增大流通面積。

3.3 第三輪分析結(jié)果

第三輪分析后，側(cè)除霜基本滿足要求，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。3米速度暖風(fēng)范圍可以覆蓋前窗 AB 區(qū)的絕大部分，前風(fēng)擋上可以清晰分辨氣流撞擊區(qū)位置和左右流動分界線，如圖 7 所示。主要問題是在擋風(fēng)玻璃上左右側(cè) A 柱附近存在小尺度回流區(qū)，但直觀判斷不影響 AB 區(qū)初霜效果；另外在前窗中部車頂附近還有小尺度回流區(qū)，具體辦法是進(jìn)一步調(diào)整中央除霜格柵角度，使氣流進(jìn)一步向兩側(cè)散開；另外由于格柵全部放開后中央除霜流量比例偏大，建議中央除霜條左右各堵塞一個孔。

3.3 第四輪分析結(jié)果

在第四輪分析中，可以看到在 B 區(qū)上部中央部分存在有部分低速區(qū)但是速度不小于 2.0m/s，3 米速度暖風(fēng)范圍可以覆蓋 A 區(qū)的全部和 B 區(qū) 97%的區(qū)域，遠(yuǎn)大于技術(shù)規(guī)范中的 2 米風(fēng)速的要求，如圖 8 所示，因此可以認(rèn)為滿足設(shè)計要求。