汽車除霜性能優化分析

朱昌盛，張建立，李 靜

（北汽福田乘用車設計院，北京 102206）

汽車除霜性能優化分析

朱昌盛，張建立，李 靜

（北汽福田乘用車設計院，北京 102206）

汽車除霜性能是汽車安全的重要指標之一，利用軟件STAR-CCM+對某車型的除霜系統進行優化計算，應用穩態計算得到前風窗和左右側窗上的氣流速度分布，并據此進行結構優化。最后利用瞬態分析驗證了優化后的方案滿足設計要求。

STAR-CCM+；除霜；優化；穩態；瞬態

0 引言

汽車的擋風玻璃除霜性能是汽車設計的重要安全指標之一。良好的除霜性能不僅能夠滿足國家對汽車除霜的法規要求，還能提升消費者的滿意度進而提升產品競爭力。我國汽車試驗標準中規定試驗開始20min后，A區域有80%已完成除霜；試驗開始25min后，A′區域有80%已完成除霜；試驗開始40min后，B區域有95%已完成除霜[1]。除霜區域劃分如圖1所示。

圖1 除霜區域劃分示意圖

利用CFD方法對除霜系統進行優化是近年來各大主機廠廣泛采取的方法。該方法可以通過仿真計算模擬乘員艙內氣流的流動，能夠觀察到復雜流場的流動特性以及得到任意位置的流速、溫度以及壓力等參數[2]。瞬態模擬可以得到乘員艙內的溫度變化以及除霜效果隨時間的變化圖，可以做成動畫增加直觀感知力。這種方法可以避免傳統設計方法中的缺陷，降低開發成本，因而得到了廣泛的應用[3,4]。

本文利用Hypermesh建立某轎車除霜系統和乘員艙面網格模型，然后將網格模型導入計算分析軟件STARCCM+中進行體網格劃分[5]。通過進行穩態計算可以得到擋風玻璃上的流速分布以及乘員艙內的流線圖，依據分析對原設計進行優化，直至速度分布滿足一定的要求，然后對優化方案進行瞬態分析，驗證除霜效果是否滿足要求[6,7]。

1 模型建立

1.1 前處理

將乘員艙以及除霜系統幾何數據導入Hypermesh中，取幾何模型的最大內表面進行處理，忽略一些比較小且不重要的特征，縫補縫隙等。然后進行面網格劃分，最大網格尺寸取16mm左右，最小網格尺寸為2mm左右。最終得到面網格模型和除霜系統模型分別如圖2、圖3所示。

圖2 乘員艙網格模型

圖3 除霜風道系統網格模型

將該面網格以.nas格式保存，然后導入STARCCM+中。在STAR-CCM+中對各組進行命名，檢查面網格質量，設置劃分體網格類型以及相關的尺寸，進行體網格劃分。本文采用四面體網格，邊界層為4層，總厚度為8mm。最終得到的體網格數量約為一千萬左右。待體網格生成以后，檢查體網格質量，刪除一些質量較差的網格。

1.2 邊界條件的設置

假設空氣為不可壓縮氣體，采用k-e湍流模型，計算邊界條件如下所示：

1）入口為流量邊界條件，流量為400kg/h；

2）出口為壓力出口，1個標準大氣壓，環境溫度為-18℃；

3）空調濾芯及蒸發器均設置為多孔介質，其阻力系數由實驗數據擬合；

4）穩態計算2000步，瞬態計算時設置冰層厚度為0.5 mm，計算總時間為1200s，時間步設置為1s，每步迭代5次。

2 初版數據計算分析

根據經驗，氣流在玻璃上流速超過1.5m/s時就可以達到理想的除霜效果，因此在優化過程中先進行穩態計算分析判斷整體除霜效果是否能滿足要求。初次計算結果如圖4～圖7所示。

圖4 前風窗速度分布

圖5 左側窗速度分布

圖6 右側窗速度分布

圖7 前風窗速度流線圖

觀察前風窗速度分布可以看出，氣流落點偏低位于B區下邊附近，導致A和A'區域的氣流速度達不到要求，因此需對中央除霜出口格柵進行優化。考察左側窗，落點偏低，考慮將左側出口格柵進行優化。由于右側窗的速度分布基本合理，故暫不對右側進行修改。

3 首輪優化

3.1 結構優化

根據上面計算結果，前擋風玻璃上的落點位置較低，考察中央除霜格柵結構（圖8）可以看到，內側壁面上有缺口，導致氣流進入除霜風道之后直接沖到了B區下邊緣，格柵失去了導向作用。進一步考慮到格柵中間橫板一側也有缺口，為避免氣流經此缺口產生回流將此處缺口和格柵內側壁面上的缺口一并補齊。優化后的數據如圖9所示。

圖8 原格柵

圖9 優化后的格柵

觀察氣流速度分布圖和流線圖可以看到，A區左下角和A'右下角氣流速度高，中間的氣流速度較低；格柵出口氣流流速分布亦然。考察分風管的結構（圖10）并結合流線圖，發現分風管背后的凹坑使氣流在此處被壓向分風管的兩側，導致氣流兩側流速高中間低，因此優化的思路是將背后的凹坑補平，并優化分風管外側的兩側面。考慮到分風管的結構，直接補齊凹坑會導致中間氣流流量增大，進而減弱兩側的氣流，在內部通道上添加導流板，保證兩側的流量。優化后的數據如圖11所示。

圖10 原分風管結構

圖11 優化后的分風管結構

左側窗的落點位置偏低，考慮將格柵葉片偏轉一定角度改變氣流方向。結合格柵結構將葉片角度向上旋轉5°作為左側出口格柵的優化方案。優化前后對比（淺色為優化之前的數據，深色為優化之后的數據）如圖12所示。

圖12 左側格柵優化前后對比圖

3.2 首輪優化計算

通過對以上優化方案的重新計算，計算結果如圖13～圖16所示。

圖13 前風窗速度分布圖

圖14 左側窗速度分布圖

圖15 右側窗速度分布圖

圖16 前風窗速度流線圖

經過初次的優化，前風窗上的速度分布較優化前更合理，A'區的速度分布較為理想，但是A區最左邊仍有一小塊區域速度較低，考慮到駕駛側是重點關注區域，必須對左側再進一步的優化；左側窗在優化之后速度分布滿足設計要求，因此左右側窗不再進行優化。考察流線圖可以發現，分風管氣流分布基本合理，沒有比較明顯的渦流產生，因此分風管不再進行優化。接下來對前除霜做格柵單獨進行優化。

4 第二輪優化

4.1 結構優化

經過上一輪的優化，左右側窗速度分布基本滿足要求，前風窗A區仍有進一步優化的空間。考察駕駛側的流線圖可知，流經中央除霜格柵最左側兩個孔的氣流向左偏斜太多，導致較多高速氣流吹向A柱方向，只有較少氣流吹到了目標區域的玻璃上，因此，考慮將最左側的兩個葉片向右偏轉5°，其優化前后格柵數據對比如圖17所示。

圖17 優化前后對比圖

在上圖中，淺色為優化之前的數據，深色為優化之后的數據。

4.2 第二輪優化計算

按照優化方案重建計算模型，重新進行穩態計算，計算結果如圖18～圖21所示。

圖18 前風窗速度分布圖

圖19 左側窗速度分布圖

圖20 右側窗速度分布圖

圖21 前風窗速度流線圖

觀察以上計算結果發現，經過本輪的優化，A區和A'區速度分布較優化前更好。綜合來看經過兩輪優化，穩態計算結果已經滿足了設計要求，接下來需要對該方案數據進行瞬態計算來驗證除霜效果是否滿足設計要求。

5 瞬態分析

在以上穩態計算的基礎上修改計算模型進行瞬態分析計算，設置相關的邊界條件和時間步長。20min后冰層厚度分布如圖22～圖24所示。

圖22 前風窗冰層厚度分布圖

圖23 左側窗冰層厚度分布圖

圖24 右側窗冰層厚度分布圖

前風窗各時刻冰層厚度分布如圖25所示。

圖25 前風窗各時刻冰層厚度分布圖

觀察圖22～圖24可以看出，在20min時，A區和A'區的冰層已經完全化去，B區也基本完全化去，只有左下角和右下角有少量殘留。左右側窗關心區域內的冰層已經完全化去。通過瞬態分析結果可以確定，經過優化后的除霜系統的除霜效果滿足設計要求。

6 結論

本文利用STAR-CCM+對除霜系統進行了計算，并依據計算結果對除霜的出口格柵和分風管等結構進行了優化，然后進行了瞬態計算，計算結果表明優化后的除霜系統的除霜效果滿足設計要求。

[1] GB11555-2009,汽車風窗玻璃除霜系統的性能要求及試驗方法[S].

[2] 訾昌路.基于STAR CCM+的汽車除霜CFD優化[A].CDAJ-China中國用戶論文集[C],2011.

[3] 許志寶.汽車空調除霜風道分析及結構優化[A].CDAJ-China中國用戶論文集[C],2010.

[4] 梁長裘.汽車空調除霜性能研究[A].CDAJ-China中國用戶論文集[C],2011.

[5] STAR-CCM+幫助文檔[Z].

[6] 張英朝.汽車空氣動力學數值模擬技術[M].北京:北京大學出版社,2011.6.

[7] 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理分析與應用[M].清華大學出版社,2008.

The optimization and analysis of vehicle deicing system

ZHU Chang-sheng, ZHANG Jian-li, LI Jing

TB131

A

1009-0134(2016)12-0004-05

2016-07-22

朱昌盛（1987 -），男，河南人，碩士，研究方向為乘用車CFD仿真，包括整車空氣動力學計算與優化，發動機艙熱管理計算及噪聲分析等。