汽車擋風玻璃除霜性能數值模擬分析

杜子學，葉雙平

（重慶交通大學，重慶 400074）

汽車擋風玻璃除霜性能數值模擬分析

杜子學，葉雙平

（重慶交通大學，重慶 400074）

本文采用計算流體力學軟件STAR-CCM+對某新開發汽車除霜風道進行數值模擬。通過穩態計算來預測汽車的除霜性能，對除霜效果進行了探討，并進行了試驗。對比模擬結果和試驗結果總體比較接近，驗證了CFD模擬的的可靠性，為汽車擋風玻璃除霜效果模擬工程提供了參考。

計算流體力學；除霜；數值模擬；前風擋玻璃

前言

汽車風窗玻璃結霜起霧是汽車行駛過程中經常遇到的問題，會嚴重影響駕駛員視野，從而對行車安全產生危害，因此預測汽車除霜除霧的性能是汽車設計開發階段一項重要工作。預測汽車擋風玻璃的除霜性能通常有兩種方法：傳統經驗設計加試驗驗證方法和數值模擬分析。傳統經驗設計加試驗方法是在汽車開發后期整車研制出來后，按照國標GB 11555-2009[1]試驗方法對樣車進行除霜性能試驗，此時改變除霜風道可能會涉及布置、內飾甚至模具的修改，成本和代價很大。數值模擬分析是在新車開發的初始階段，用CFD方法預測除霜除霧的效果，如果事先能利用數值計算得到風道內的流場情況,將對提高除霜性能起到一定的指導作用, 減少反復試驗造成的浪費。這種基于CFD數值仿真技術的除霜風道優化設計方法能大幅度提高設計產品的質量，降低設計成本，縮短設計周期，并可克服傳統設計方法的缺點與不足。

本文通過國內某知名汽車新車型的項目開發，在開發時期用CFD的方法來預測該車的除霜性能，

對計算結果進行分析和討論，通過試驗對比分析該仿真分析方法的可靠性和精確性。

1、汽車除霜范圍及性能要求

1.1 汽車除霜范圍的確定

汽車前方視野主要是根據駕駛員視野確定的，GB 11555-2009[1]規定的理論除霜區域如下圖1、圖2：

1.2 汽車除霜要求

除霜性能作為國家標準中強制檢測的一項指標，國標GB 11555-2009[1]對汽車風窗玻璃除霜系統性能有明確的規定，要求①試驗開始后20min時，至少應將A區的80%面積的霜除凈；②試驗開始后25min時。至少應將A'區的80%面積的霜除凈；③試驗開始后40min時，至少應將B區的95%面積的霜除凈。

在歷史教學過程中培養學生的核心素養，需要重視對學生歷史思維的構建，教師在進行歷史教學的過程中，首先需要改變傳統教學模式中的填鴨式教學，傳統的填鴨式教學會導致學生機械式的學習方式與接受能力，對歷史事件缺乏自身的見解與思維。因此，教師需要改進教育教學方式，在創新教學模式的基礎上，幫助學生進行探究學習和自主學習，在此基礎上，教師對學生的學習進行適時正確的引導，帶領學生以客觀的思維進行歷史事件和歷史人物的分析。

2、車室內空氣流動控制方程和數值方法

除霜風道和車室的壁面是非剪切邊界，考慮到湍流的影響，采用Realizable k-ε模型。Realizable k-ε模型中引入了轉動速率張量的有關內容，使之能夠很好的模擬旋轉均勻剪切流、自由流及邊界層流動。關于k和ε的計算式如下：

式中，k為湍流動能；ε為湍流耗散率；μ為分子粘性系數，μt為湍流粘性系數，

3、模型的建立和計算方法

3.1 物理模型和網格劃分

根據整車除霜區域進行除霜系統封閉腔體的幾何搭建（圖3），包括車窗玻璃、內飾件、座椅和除霜風道等。同時在不影響計算精度的前提下對模型做了一些簡化處理，除去不必要的信息，對一些縫隙進行了修理。但是關鍵部件如擾流板、風道內壁未作任何簡化。

在劃分體網格時采用多出局部加密，用以增加關鍵區域的網格數量提高計算結果精確度。為了防止氣流回流，在入口和出口處都采取了法向拉伸，得到求解域的體網格數量為1500萬，計算域體網格模型如圖5：

3.2 邊界條件和計算設置

計算中假定空氣為不可壓縮氣體，湍流模型為Realizable K-epsilon模型．空間離散采用二階迎風差分格式[2]，迭代方式選用Simple算法。計算邊界條件如下：入口空氣為270m3/h；出口邊界為壓力出口，背壓為0Pa；其他邊界為壁面邊界。

4、計算結果和分析

由于瞬態計算需要花費大量的時間，工程上已將GB 11555-2009標準轉化成穩態計算時的速度標準，即A區、A'區近壁氣體流速在2m/s以上的面積超過80%以上，B區近壁氣體流速在1.5m/s以上的面積超過80%以上，即認為可以滿足國標要求。因此，本文將先從穩態計算來分析前擋風玻璃的除霜效果。

流量的分配與除霜性能密切相關，其為關鍵的考查點之一。通過流量統計獲得 風道各出口流量分配值，中間約為79.6%，左右兩側分別為9.9%、10.5%。對比項目開發的目標值（中間為80±2%，兩側為l0±2%），各個出口流量分配比例合理，滿足設計要求。

4.1 前擋風玻璃的穩態流場分析

從圖6可以看出從風管中流出的氣流沿左中右三個出口流入乘員艙，在前后座椅的阻擋下產生回流，并最終在擱物板出口處流出。由圖7可知從風管中間出口流出的氣流沿前風擋較均勻的延展，無明顯的缺流區域，預測除霜效果良好。

由圖8、圖9的速度分布可以看出A區和A'基本對稱，這與風道對稱相關，左右氣流分別成扇形

散開。由于氣流擊點位置合適，速度分布形狀比較合理，除霜區域內基本不存在死區。A區和A'及B區大部分都有合理的氣流速度。其中A區近壁氣體流速在2m/s以上的面積比列為86.5%，A'區近壁氣體流速在2m/s以上的面積比列為93.2%，B區近壁氣體流速在1.5m/s以上的面積比列為82.5%，從以上分析可知除霜性能滿足法規要求。

4.2 側窗玻璃的穩態流場分析

側窗玻璃除霜沒有法規要求．但是會影響到用戶對后視鏡的觀察。在汽車玻璃出現霜霧并且在執行減速停車或通過彎道或超越前方車輛，我們希望能夠從內外后視鏡、特別是外后視鏡中觀察到安全的行車路況，因此對前側玻璃的除霜性能分析很有必要。

由圖10可知駕駛側及副駕駛側風窗氣流近壁速度在2m/s以上的區域已完全覆蓋左右后視鏡投影區，雖然駕駛側氣流擊點不在左視鏡投影區，但它在投影區前方，這樣有利于氣流向投影區流動。因此該款車的側除霜性能能達到汽車安全行駛要。

5、試驗驗證

依據GB 11556-1994的除霜試驗方法,在環境艙中進行一l8℃的除霜試驗。首先開始除霜的區域在擋風玻璃靠近中間出口處，隨著時間的增加，除霜區域慢慢開始擴大，通過CFD模擬的除霜穩態效果和試驗結果比較可知，數值計算和試驗結果總體比較接近。

6、結論

文中在某新車型開發前期采用CFD的方法對擋風玻璃的除霜性能進行了數值模擬，并通過試驗驗證了本文采用的數值模擬方法，從而表明該車型有較好的除霜效果，滿足國標要求。

(1) 模型的網格密度，網格類型，網格質量，會對計算的速度和精度產生影響，文中采用局部網格加密來提高計算精度和收斂速度。

（2）數值模擬計算得到風道內的流場情況對改善汽車的除霜性能起到一定的指導作用，減少反復試驗造成的浪費。

（3）工程應用中，為使除霜性能的數值模擬更可能真實，應該考慮有乘員的情況對除霜的影響。

[1] 國家發展和改革委員會．GB11556-94汽車風窗玻璃除霜系統的性能要求及試驗方法．

[2] 張英朝，汽車空氣動力學數值模擬技術，北京，北京大學出版社，2011.

Numerical Simulation Analysis on Defrost Performance of Automotive Windshield

Du Zixue, Ye Shuangping
(Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074)

A new car defrosting duct is numerically simulated by using the computational fluid dynamics software STAR - CCM +．Defrosting performance of car is predicated by steady state calculation.So the defrosting effects are investigated and tests are conducted．Experiment results are similar to the simulation results. Then the reliability of numerical simulation is verified , providing reference for the engineering application of vehicle defrosting.

Computational fluid dynamics(CFD); defrosting duct; numerically simulation; windshield

U463.835

A

1671-7988(2014)03-36-04

杜子學，博士，重慶交通大學教授，研究領域為現代車輛（汽車）設計方法與理論和載運工具運行品質、交通安全。