基于動網格技術的風擋除霜新方法的數值模擬

谷正氣，湯柱良，陳 陣，黃泰明

(1. 湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082；2. 湖南工業大學，湖南 株洲 412007)

基于動網格技術的風擋除霜新方法的數值模擬

谷正氣1,2，湯柱良1?，陳 陣1，黃泰明1

(1. 湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082；2. 湖南工業大學，湖南 株洲 412007)

運用CFD方法對某車型擋風玻璃除霜過程數值模擬，針對現有國標規定分區中A區除霜過慢的問題，提出了一種除霜新方法，在風口處設計能繞自身軸線回轉的導流葉片，結合動網格技術，計算除霜瞬態過程．結果表明：葉片初始偏轉角度為42°，A區的除霜效果最好，努賽爾數提高13.7%，270 s時刻，令葉片以角速度ω=0.073 3rad/s偏轉，280s時刻回轉至初始位置.A區霜層除去80%面積所需時間與原模型相比縮短60s，在保證除霜完全的基礎上優先除去A區霜層，實現駕駛員視野的快速清晰.

計算流體動力學；除霜；動網格

汽車風窗玻璃結霜起霧是人們在日常生活中經常遇到且需要解決的問題，尤其是風擋關鍵視野區域除霜過慢，導致駕駛員視野不能快速清晰，造成安全隱患.

國內外學者對汽車玻璃除霜除霧性能進行了廣泛的研究，文獻[1]使用STAR-CD實現了對前擋風玻璃除霜除霧效果的數值模擬.文獻[2]將數值仿真結果與試驗進行定性對比，驗證了CFD方法的準確性.文獻[3-4]采用數值仿真與試驗驗證相結合的方法，計算出風口風量分配，得出玻璃附近的流場分布，對除霜風管和內部結構進行改進，使得除霜效果滿足所需要求.文獻[5-6]研究了客車風擋的除霜效果，對吹風管道和送風口進行優化改進，針對空調熱源不足，采用電阻絲加熱方式加快除霜.文獻[7]分析了氣流從矩形出風口沖擊固定傾斜壁面的流體熱參數，將仿真結果與試驗進行對比.文獻[8]提出了一種除霜新方法，在風擋內部噴涂一層透明的材料，通過吸收太陽能解化霜層.文獻[9]分析了除霜除霧試驗過程和實驗設備安裝，并采用圖像分析方法對除霜效果進行評價.前人所做的工作大多是對除霜管道結構進行優化或者在玻璃處提供額外熱源以改善除霜效果，而從空氣動力學角度，專門針對提高關鍵可視區域除霜效果的研究較少.

傳統的除霜噴嘴位于風擋玻璃下部，暖氣流自下而上擴散開，霜霧也從下邊緣逐漸解化，對駕駛員視野影響較大位置的霜霧解化較慢，基于此，本文應用V點確定法，將關鍵視野區域進行細分，并提出了一種新的風擋除霜方法：設計一出風導向機構，運用動網格技術，使暖氣流的方向隨著時間變化，首先除去關鍵視野區域的霜霧，之后導向機構回復至初始位置，融化其他位置的霜層.

1 數值計算方法

1.1 網格劃分及邊界條件

乘員艙模型如圖1所示，由于其內部幾何結構復雜，采用四面體網格離散，并對玻璃附近網格進行加密，玻璃厚度4 mm，霜層厚度0.5 mm，玻璃和霜層采用棱柱體網格，網格總數為130萬.

圖1 乘員艙模型

邊界條件：入口設置為速度入口，流量為380 m3/h，出口為壓力出口，其余為靜止壁面，空氣與玻璃、玻璃與霜層之間均為耦合熱邊界.計算過程中進行如下簡化：

1)將霜層視作一種流體，相變過程隨溫度變化，用液相率σ表征其融化狀態，

(1)

其中TS為固相溫度;TL為液相溫度;σ=1說明解化完成.

2)除霜過程只考慮熱傳導和熱對流，忽略了輻射對除霜的影響.

3)霜層在解化過程中僅發生相變，忽略冰霜融化后的流動.

1.2 湍流模型

不同的湍流模型對流場計算結果會產生顯著影響[10].RNGk-ε模型主要通過在大尺度運動和修正后的黏度項體現小尺度的影響，將小尺度運動從控制方程中移除.在對Navier-Stokes方程進行雷諾時均化處理時，引進了雷諾應力項uiuj，為使方程組封閉，必須對雷諾應力做出某種假定，在大量的實驗基礎上推導出雷諾應力方程如下[11]：

(2)

(3)式中ρ是流體密度;k為湍流動能;ε為湍流動能耗散率;Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項：

(4)

湍流有效粘性系數μeff：

(5)

式中μt為湍動粘度;μ為動力粘度.

(6)

(7)

(8)

式中η是Kolmogorov長度，表示最小漩渦的特征量;Eij是反映主流的時均應變率;αk，αε，Cμ，C1ε，C2ε，η0，β為經驗常數，取以下值：αk=αe=1.39，Cμ=0.0845，C1ε=1.42，C2ε=1.68，η0=4.377，β=0.012．

這種湍流模型通過修正湍流黏度，考慮了平均流動中的旋轉流動情況，可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較強的流動，因此它比較適合乘員艙內部流場的仿真計算.

1.3 數值計算方法的試驗驗證

除霜試驗需要環模風洞，成本較高，因此采用類似模型來驗證計算方法的合理性，文獻[12]采用某轎車風擋及HVAC模塊，玻璃傾角39°，厚6mm，導熱率1.4W，在擋風玻璃外表面安裝一塊功率為368W/m2的矩形熱板(0.304 8m×0.457 2m)，氣流從送風口吹向擋風玻璃，用T型熱電偶測得送風氣流溫度為25.5 ℃，最后采用液晶溫度傳感器測量熱板位置處玻璃內壁的溫度分布.為了驗證數值方法的準確性，將仿真獲得的結果與SubrataRoy的試驗結果對比，圖2為玻璃內表面Z=0.633 3 m位置點的試驗與仿真得出的溫度值，試驗值與仿真值較吻合，溫差在5°以內.圖3為熱板處玻璃內表面溫度分布云圖，可以看出，試驗與仿真獲得的溫度分布趨勢非常相近.由計算結果可知，該數值計算方法可以用來模擬氣流沖擊傾斜玻璃面的流動和傳熱.

位置/m

圖3 玻璃內壁溫度分布試驗結果和仿真結果對比

2 初始模型

2.1 關鍵可視區域劃分

目前，關鍵可視區域的確定主要方法有2種，一種是SAE提出的眼橢球法；另一種是EEC標準中提出的V點確定法[13].V點即表征駕駛員眼睛位置的點，它與通過駕駛員乘坐位置中心線的縱向鉛垂平面、R點(座椅基準點)及設計座椅靠背角有關.此點用于檢查汽車視野是否符合要求.通常用兩個不同的點V1,V2點來表示V點的不同位置.V點相對R點位置，由三維坐標系的X，Y，Z坐標確定，當座椅靠背角25°時的基本坐標如表1所示.

表1 V點位置

GB 11555-2009[14]沿用歐洲EEC標準，根據人體的視野范圍，采用V點確定關鍵可視區域，將風擋玻璃分為A,A’和B區，對其除霜除霧時間做出規定.其中A和A’區呈對稱分布，分別為駕駛員與副駕駛正對視野區域，實際生活中，人們首先關注的是對視野影響較大的位置并希望其霜霧能夠快速消失，因此將較重要的A區分成如圖4所示的8個域，命名為A1～A8，其中A1和A8分別為從視點V1仰視3°和V2俯視1°區域，A2～A7為駕駛員從視點V1,V2平視區域.

圖4 玻璃分區示意圖

同時為更加準確地監測霜層的解化過程，將與A,B區相對應位置的霜層分為3部分：命名為Ia,Ib,Ic，分別監測其相變過程，各部分霜層之間以及霜層與玻璃之間采用耦合熱邊界.

2.2 初始模型除霜效果

觀察不同時刻的除霜效果，如圖5所示，霜層最先開始解化的區域位于B區的下邊緣，此處為暖氣流沖擊區域，根據射流沖擊傳熱機理，該處的傳熱傳質得到強化，傳熱系數遠高于其他位置，且氣流溫度較高，因而除霜最先完成；隨著時間的推移清晰的區域由下往上逐步擴展，霜層從120 s時刻開始解化，而到320 s左右A區依然沒有完全清晰，這種由下向上的除霜模式，導致司乘人員視野區域的霜層融化較慢，關鍵視野區域不能快速清晰，效果不甚理想.

(a)120 s

(b)200 s

(c)280 s

(d)320 s

為進一步說明造成這種現象的原因，觀察風擋內部流場，圖6為駕駛室縱截面速度圖，可以看出，出風口位于風擋前端，暖氣流從風口流出后沖擊玻璃壁面，然后向上發散，均勻覆蓋玻璃內壁，這樣的設計避免了吹風死角，保證了風擋霜霧解化的徹底性，但也導致A區除霜過緩，駕駛員視野不能快速清晰，行車過程中可能造成危險，因此下文在噴口處設計了出風導流裝置，使暖氣流首先流向A區，將A區大部分霜霧解化后，調整氣流方向，再除去其它位置，保證關鍵視野區域的霜霧快速消失.

3 改進模型

3.1 基本原理

為調整暖氣流流向，在噴嘴處添加如圖7所示的導向葉片P1,P2，使得暖氣流直接流向A區，這樣可以明顯改善A區的除霜效果，但因此也會導致玻璃下部霜霧難于解化，甚至形成吹風死角，因此將該葉片設計成可繞自身軸向旋轉的活動裝置，待A區霜霧基本除盡后，改變葉片偏轉角度，實現氣流方向的調整，基本原理為：初始時間段內，導向片偏轉角度使氣流吹向A區，待其霜層解化后，葉片回復至初始位置，之后葉片保持靜止，即A區霜層解化后，葉片開始運動，公式表示如下：

式中t1為A區除霜完成時刻;t2為葉片偏轉后時刻;θ0為初始偏轉角度;ω為葉片偏轉角速度.

圖6 送風口截面速度圖

圖7 導流葉片幾何模型

葉片沿軸向的轉動采用動網格方法，Fluent中具有3種動網格模型：彈簧近似光滑模型、動態分層模型和局部重劃模型.動態分層模型僅適用于四邊形和六面體網格，因此采用彈簧近似光滑和局部重劃模型，將導流葉片定義為rigidbody，使之按給定的旋轉角速度繞自身中心軸線轉動，對導流片附近的網格變形及重新劃分，同時計算流動方程和能量方程.

3.2 初始角度選擇

葉片偏轉角θ決定了暖氣流的分布，進而影響除霜效果，為使得A區除霜效果最佳，計算0～50°范圍內10組偏轉角下A區的努賽爾數Nu，用最小二乘法擬合，得到A1～A8區的Nu隨θ變化曲線，可知當葉片偏轉角θ在42°左右時Nu達到最大，因此θ0選取42°.

偏轉角/(°)

圖9為添加導流葉片前后Nu對比，A2,A3,A5,A6,A8的Nu增大10%以上，A6最大為4 055，相比原模型提高41.4%，A1,A4,A7的Nu變化較小，A區域的總的Nu比原模型提高13.7%.

A區域

3.3 時間確定

當θ0=42°時，霜層液相率隨時間變化如圖10所示，t1=270 s時刻，A區霜層液相率達到0.8，霜層融化80%，基本清晰，B區和C區霜層融化55.5%,25.3%，為使葉片迅速恢復至垂直位置，除去B,C區霜層，令葉片以角速度ω=0.073 3rad/s回轉，加載動網格模型.t2=280 s時刻，葉片回轉至θ=0°，網格停止運動，為保證計算精度提高效率，在不同時間段內選用不同時間步長，網格變形過程中的時間步長為0.1s，其余為1s，最大迭代次數50次.

3.4 瞬態流場分析

風擋內表面的流場分布隨葉片轉動而變化，由圖11可知，葉片轉動前，速度較大的區域集中在A區，使該位置的霜層能快速解化，隨著時間推移，逐漸向下移動至B區域，280s時刻停止.

時間/s

(a)270 s

(b)272.5 s

(c)277.5 s

(d)280 s

導流葉片在偏轉過程中受到氣流沖擊，需要克服轉矩，圖12為導流葉片在縱向截面處的壓力分布云圖，可以看出葉片在Z方向具有較大的壓力梯度，在來流方向P2所受到的壓力大于P1，葉片背部存在明顯的負壓區.

圖12 送風口截面壓力分布

圖13為葉片偏轉過程中由于氣流沖擊所受到的力矩，可以看出，葉片所受力矩均隨時間變小，P1的變化率呈先大后小趨勢，P2所受力矩為線性變化，這是由于流向P1的氣流部分被P2阻滯，所受力矩不僅與自身偏轉角度有關還受到P2背部負壓區的影響，而P2所受力矩僅與偏轉角度有關.

時間/s

3.5 改進模型除霜效果

通過觀察除霜瞬態過程可以得出霜層的解化趨勢，圖14為改進后的除霜瞬態過程，A區霜層最先開始融化，并逐步向四周擴展，在280 s時A1～A8區已部分或完全清晰，A2,A3,A5,A6的霜層最先解化完成，形成一大片完整的視野區域，同時刻原模型僅有一小部分霜層解化.

(a)120 s

(b)200 s

(c)280 s

(d)320 s

(e)800 s

圖15為改進前后的除霜瞬態過程中Ia,Ib,Ic的液相率隨時間變化趨勢，由圖可知，改進后Ia的液相率達到0.8所需時間比原模型縮短60 s，保證了關鍵視野區域的霜層能夠迅速解化.

時間/s

4 結 論

本文針對風擋關鍵視野區域除霜過慢的問題，提出了一種新型方案，在風口位置設計了偏轉角度能隨時間變化的導向葉片，采用CFD方法，結合動網格技術，驗證了該方案理論上的可行性，具體結論如下：

1)與原模型相比，添加導向葉片后，且葉片偏轉角度為42°時，A區的努賽爾數提高13.7%.

2)0到270 s內，葉片偏轉角度為42°，270 s到280 s內，葉片以角速度ω=0.073 3rad/s回轉，最終回復至θ=0°，在此過程中，A區除霜80%所需時間與原模型相比減少1min，在玻璃外表面布滿霜層的環境下，實現了駕駛員關鍵視野區域的快速清晰.

3)將動網格方法運用到汽車內流場的計算，實現了內部邊界連續變化，使除霜氣流首先流向對駕駛員視野影響較大的A區，提高了A區除霜效率的同時避免造成吹風死角.

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Numerical Simulation of a New Method of Windshield Defrost by Dynamic Mesh

GU Zheng-qi1, 2, TANG Zhu-liang1?, CHEN Zhen1, HUANG Tai-ming1

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body， Hunan Univ, Changsha，Hunan 410082，China; 2. Hunan Univ of Technology, Zhuzhou，Hunan 412007,China)

CFD (computation fluid dynamics) was applied to simulate the vehicle windshield defrosting process. To solve the problem of slow defrosting in area A, a new method was proposed. Four defroster grilles were installed at airflow vents, which can rotate around their center axis. Combined with dynamic mesh, the transient defrosting process was calculated. The results show that, when grilles are deflected to 42 degrees, the Nusselt number of area A improves by 13.7%, making the grilles rotate at 0.0733 rad/s, and the grilles are back to the original position at 280s. Compared with the original model, the time required to defrost area A decreases by 60s. The frost covering area A is removed preferentially, which ensures that the driver's field of vision is clear and quick.

computational fluid dynamics; defrost; dynamic mesh

1674-2974(2015)02-0001-07

2014-05-16

國家自然科學基金資助項目(50975083),National Natural Science Foundation of China(50975083)；交通運輸部新世紀十百千人才培養項目(20120222)；“中國高水平汽車自主創新能力建設”項目

谷正氣(1963-)，男，湖南長沙人，湖南大學教授，博士?通訊聯系人，E-mail:tzliang2007@163.com

U461.1

A