基于FLUENT的車燈冷凝分析

郝珊珊

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213022)

基于FLUENT的車燈冷凝分析

郝珊珊

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213022)

車燈工作時(shí)，燈罩內(nèi)外部溫差較明顯，且燈腔與外界空氣交換較少，加上濕度的影響，燈罩內(nèi)側(cè)易發(fā)生結(jié)霧現(xiàn)象，致使車燈外觀及行駛安全受到一定的影響。因此，在車燈前期設(shè)計(jì)階段進(jìn)行相關(guān)的霧氣模擬降低車燈結(jié)霧風(fēng)險(xiǎn)、減少開發(fā)成本是至關(guān)重要的。借助FLUENT軟件對(duì)某汽車后霧燈結(jié)霧的可能性及其結(jié)霧區(qū)域進(jìn)行模擬仿真。將實(shí)驗(yàn)后的結(jié)霧區(qū)域與軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其差異在可接受誤差范圍之內(nèi)，縮短了燈具的開發(fā)時(shí)間，進(jìn)而降低了開發(fā)成本。

車燈；冷凝分析；FLUENT軟件

0 引言

由于行業(yè)技術(shù)的不斷提升，消費(fèi)者對(duì)車燈性能、外觀的要求越來越嚴(yán)格，外燈罩的冷凝結(jié)霧問題就是其中最受關(guān)注的問題之一。

如今在燈具的開發(fā)過程中主要依靠試驗(yàn)來檢測產(chǎn)品的性能，這就意味著在產(chǎn)品滿足相關(guān)性能要求之前，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn),這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且開發(fā)成本較高。而采用軟件模擬的方法可以在設(shè)計(jì)前期給出數(shù)據(jù)評(píng)估，對(duì)燈具進(jìn)行必要的變更，降低燈具冷凝結(jié)霧風(fēng)險(xiǎn)，從而大大降低開發(fā)成本。因此，軟件模擬方法在工程應(yīng)用中具有一定的實(shí)用意義。

1 車燈冷凝

圖1為燈具的剖面圖，示意車燈內(nèi)部及其與外部環(huán)境的換熱機(jī)制。

車燈內(nèi)部的空氣流動(dòng)主要是由于熱源加熱燈內(nèi)空氣引發(fā)的自然對(duì)流[1]。光源工作時(shí)加熱周邊空氣，使之密度變小而向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)光源周圍出現(xiàn)空位，冷卻的空氣從光源下方補(bǔ)充進(jìn)來，從而形成燈腔內(nèi)部氣流流動(dòng)。

燈罩附近溫度相對(duì)光源周圍空氣溫度較低，當(dāng)高溫氣體從光源附近流動(dòng)至燈罩內(nèi)壁面時(shí)，會(huì)加熱燈罩內(nèi)壁面。由于燈罩面各部分與熱源相對(duì)位置不一，加熱不均勻，導(dǎo)致燈罩壁面溫度分布不均勻。若此時(shí)燈罩內(nèi)表面溫度低于其附近空氣的當(dāng)下露點(diǎn)溫度，就會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)象。

露點(diǎn)溫度的定義為：在氣壓和空氣中的含水量不變的情況下，冷卻空氣，直至空氣中水蒸氣飽和的溫度。當(dāng)氣體溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，水蒸氣就會(huì)發(fā)生凝結(jié)[2]。

通過露點(diǎn)計(jì)算軟件或者濕度計(jì)算表可以得到相對(duì)濕度和空氣露點(diǎn)溫度之間的關(guān)系。另外一種計(jì)算露點(diǎn)溫度的方法是通過下列公式(1)和(2)[3]：

(1)

(2)

其中：a=17.27，b=237.7 ℃，T(℃)為溫度，Tdew為露點(diǎn)溫度。

2 車燈模型和網(wǎng)格劃分

燈具的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，多為不規(guī)則曲面造型，見圖2，當(dāng)數(shù)據(jù)從CAD軟件導(dǎo)入到ANSYS前處理軟件后，會(huì)有部分信息丟失，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，需要很長一段時(shí)間來簡化三維數(shù)據(jù)。

首先，對(duì)一些狹小的面、夾角尖銳的地方和細(xì)小空間等區(qū)域進(jìn)行簡化，如果要?jiǎng)澇鰸M足求解器要求的網(wǎng)格，則網(wǎng)格尺寸需要?jiǎng)澐值胶苄。@樣會(huì)產(chǎn)生很多的節(jié)點(diǎn)數(shù)，很大程度上增加了網(wǎng)格的總數(shù)量[4]。外燈罩的內(nèi)表面處是霧氣產(chǎn)生的部位，所以在燈罩內(nèi)表面靠近空氣側(cè)需要?jiǎng)澐诌吔鐚樱吔鐚觿澐?層。劃分好的燈具網(wǎng)格見圖3。

3 控制方程及邊界條件

UDF模塊是一種用戶自定義程序，用此模塊來模擬燈具冷凝結(jié)霧[5-6]。根據(jù)幫助文檔進(jìn)行邊界條件設(shè)置，根據(jù)菲克第一擴(kuò)散定律計(jì)算低濃度流量，再由FLUENT中組分傳輸方程和能量方程進(jìn)行控制。帶有組分傳輸?shù)哪芰糠匠淌饺缦拢?/p>

(3.1)

單位質(zhì)量的能量為:

(3.2)

由組分傳輸引起的能量源為：

(3.3)

由組分傳輸引起的熱焓傳輸為：

(3.4)

其中：Ji為組分i的擴(kuò)散通量(mol/(m2·s))；Di,m為組分i的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；DT,i為擴(kuò)散系數(shù)(mol/m3)。

4 結(jié)果

為了衡量模擬的準(zhǔn)確性，溫度、流場和結(jié)霧等結(jié)果以不同形式描繪出來。將模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)時(shí)捕捉到的圖像進(jìn)行對(duì)比。

4.1 溫度分布

圖4和圖5分別為外燈罩的模擬結(jié)果和紅外測溫儀的拍攝圖片。

當(dāng)紅外測溫儀記錄圖片時(shí)，外部溫度、相對(duì)濕度和輻射等一些外部條件都和模擬時(shí)的條件不一樣，因此只能對(duì)比兩圖的溫度分布趨勢，而不是溫度值大小。

對(duì)比圖5中紅外測溫儀記錄的圖片可以看出模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果是相符合的。光源開啟時(shí)，由于光源的熱輻射作用，光束在燈泡正前方的外燈罩上形成高溫區(qū)，外燈罩上方的高溫區(qū)主要由熱傳導(dǎo)與對(duì)流形成。當(dāng)光源關(guān)閉一段時(shí)間后，外燈罩上燈泡正前方的高溫區(qū)便逐漸消失。可以看出數(shù)值分析可以較好地模擬出熱輻射與熱對(duì)流及熱傳導(dǎo)的作用。

4.2 速度、濕度分布

燈具內(nèi)部空氣流動(dòng)速度尤為重要，空氣的進(jìn)出達(dá)到平衡時(shí)就沒有多余的濕空氣停留在燈罩內(nèi)表面上。圖6為外燈罩表面的以溫度值大小著色的速度分布圖。

如圖7所示，區(qū)域A處的濕空氣流速較小，所以氣流較難疏散導(dǎo)致新的空氣難以補(bǔ)充進(jìn)來，相反區(qū)域B處的空氣流速比較大，但是溫度較低，所以相對(duì)濕度較高。

光源上方熱空氣向上流動(dòng)，驅(qū)使燈腔內(nèi)部形成氣流。當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到A、B區(qū)域燈罩面附近時(shí)，流速減小且溫度降低，此時(shí)相對(duì)濕度就會(huì)增大(見圖8)，由此造成高濕度氣流的滯留堆積，形成霧氣凝結(jié)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

4.3 結(jié)霧分布

瞬態(tài)模擬計(jì)算出燈罩處霧氣的形成，通過模擬可以看出冷凝主要形成在燈罩下邊緣的兩個(gè)角落，對(duì)比模擬和試驗(yàn)結(jié)果如圖9—11所示。

5 結(jié)論

可以看出：雖然數(shù)值模擬方法不是盡善盡美的，尤其是在模型前處理和網(wǎng)格劃分階段既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，但在開發(fā)過程中得以實(shí)現(xiàn)，能夠起到一定的參考價(jià)值。此外，文中關(guān)于霧氣冷凝模擬的方法成功實(shí)現(xiàn)。

數(shù)值模擬在產(chǎn)品開發(fā)過程中是一種強(qiáng)有力的工具，在設(shè)計(jì)前期就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)變更從而減小試驗(yàn)支出，所以今后可以在某些邊界的設(shè)置方面，比如透氣孔設(shè)置、半透明材料的透過性等，進(jìn)行更加深入的研究，以提高模擬的精確度。

【1】孟小文．汽車車燈的熱分析研究[D]．上海：同濟(jì)大學(xué)，2007．

【2】楊世銘，陶文銓．傳熱學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，1998．

【3】BAHRENBURG A W T.Psychrometry and Psychometricc Charts[M].3rd ed.Cape Town:S.A.Cape and Transvaal Printers Ltd.,1974.

【4】LOGAN Daryl L.有限元方法基礎(chǔ)教程[M]．伍義生,譯．北京：電子工業(yè)出版社，2003.

【5】FLUENT 12 Users Guide[M].

【6】FLUENT 12 Theory Guide[M].

汽車巨頭加速布局 燃料電池惹關(guān)注

豐田、現(xiàn)代、本田、奧迪等汽車巨頭的燃料電池汽車商業(yè)化必將在資本市場掀起一波燃料電池?zé)岢保顿Y者可重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)業(yè)鏈上游優(yōu)質(zhì)的燃料電池相關(guān)供應(yīng)商。

前一階段新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)艿绞袌鰪V泛關(guān)注，在二級(jí)市場上掀起了一波又一波炒作。值得注意的是，奧迪或?qū)⒃?016年1月舉辦的2016年底特律車展上推出一款氫燃料電池SUV概念車，豐田、現(xiàn)代此前均表示將于2015年商業(yè)化燃料電池汽車。豐田、現(xiàn)代、本田、奧迪等汽車巨頭的燃料電池汽車商業(yè)化必將在資本市場掀起一波燃料電池?zé)岢薄?/p>

汽車巨頭加速布局

根據(jù)Autobild的報(bào)道，奧迪或?qū)⒃?016年1月舉辦的2016年底特律車展上推出一款氫燃料電池SUV概念車，整體外觀與e-tron相似，最大的區(qū)別在于動(dòng)力方式的不同，而參考e-tron的命名方式，這款氫燃料電池車的名稱或?qū)閔-tron。

在氫燃料電池汽車領(lǐng)域，奧迪其實(shí)之前也有過不少嘗試，比如在2014年洛杉磯車展上展出的氫燃料電池版A7 h-tron概念車。這款A(yù)7前后軸上各安裝有一個(gè)電動(dòng)機(jī)，并且內(nèi)置的鋰離子電池還能通過充電口充電，來作為氫燃料的補(bǔ)充。

與最近幾年蓬勃發(fā)展的電動(dòng)汽車相比，雖然氫燃料電池汽車的關(guān)注度不如前者，但其實(shí)市面上已經(jīng)有一些氫燃料電池車型了，比如現(xiàn)代氫燃料電池版Tucson、豐田Mirai以及本田將于2016年正式推出的氫燃料電池版Clarity。當(dāng)然，氫燃料電池車如果想要進(jìn)一步發(fā)展的話，燃料銷售網(wǎng)絡(luò)的問題還需要得到進(jìn)一步的解決。

美日歐等發(fā)達(dá)國家大多已完成燃料電池汽車基本性能的研發(fā)階段，解決了若干關(guān)鍵技術(shù)問題。全球燃料電池汽車巨頭豐田宣布，在2020年底之前的市場導(dǎo)入初期，將無償提供其獨(dú)有的包括燃料電池組、高壓儲(chǔ)氫罐、燃料電池控制系統(tǒng)等在內(nèi)的燃料電池相關(guān)專利使用權(quán)，共計(jì)5680項(xiàng)，2015東京車展上，本田也正式發(fā)布了旗下氫燃料電池車型FCV的量產(chǎn)版車型Clarity。

燃料電池關(guān)注度升溫

燃料電池是一項(xiàng)綠色、高效、適用性廣的發(fā)電技術(shù)。燃料電池與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，不受卡諾循環(huán)限制，因此能量轉(zhuǎn)換效率高，而且具備零排放、無污染、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，在交通工具領(lǐng)域被視為新能源汽車的終極綠色解決方案。目前主流產(chǎn)品有質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(OFC)三類，可以廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、軍事、航空等領(lǐng)域。

燃料電池整車成本從2005年之前的100萬美元降到現(xiàn)在的5萬～10萬美元，加上購買時(shí)的政府補(bǔ)貼，與純電動(dòng)車差距不大。Pt當(dāng)量(g/kW)已經(jīng)從最早的80 g降低到目前的10 g左右，達(dá)到傳統(tǒng)汽油機(jī)三效催化器的鉑金用量水平，而豐田、通用研發(fā)的燃料電池已經(jīng)可以將Pt擔(dān)量降至0.25～0.3 g。2015年美國燃料電池公共汽車的使用壽命已達(dá)到2 萬h到3 萬h，車輛的性能達(dá)到傳統(tǒng)柴油客車的水平，實(shí)現(xiàn)每天19 h的運(yùn)行和出勤率。日本豐田公司的燃料電池汽車的壽命達(dá)到25年，達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的同等水平。

豐田、現(xiàn)代、本田等車企的燃料電池汽車商業(yè)化必將在資本市場掀起一波燃料電池?zé)岢薄ｈb于新能源汽車前景廣闊，氫燃料電池在中小功率領(lǐng)域的應(yīng)用具備快速商業(yè)化潛能，市場容量有望達(dá)到千億美元量級(jí)。A股市場中，燃料電池板塊的估值遠(yuǎn)低于新能源汽車，有望令該板塊進(jìn)一步獲得資金關(guān)注。建議積極關(guān)注這一主題帶來的投資機(jī)會(huì)，重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)業(yè)鏈上游優(yōu)質(zhì)的燃料電池相關(guān)供應(yīng)商。

(來源：中國證券報(bào))

Condensation Analysis of Automotive Lamp Based on FLUENT

HAO Shanshan

(Changzhou Xingyu Automotive Lighting Systems Co., Ltd., Changzhou Jiangsu 213022,China)

An automotive lamp is exposed to thermal variations with low air exchange. Humidity entering the lamp will therefore increase the risk for condensation to form on the lamp lens inner surface. The automotive industry today is so highly competitive that more attention is focus on reducing costs together with fogging risk. The condensation risk and predicted surface of a rear fog lamp of a car was simulated using FLUENT software. Furthermore, it was compared experiment results with simulation results,the error was within an acceptable range. So the simulation can effectively shorten the production cost.

Automotive lamp;Condensation analysis; FLUENT software

2015-07-23

郝珊珊(1989—)，女，碩士，主要從事汽車燈具CAE霧氣分析方面工作。E-mail:haoshanshan@xyl.cn。