基于STAR-CCM+的汽車除霜分析

胡忠輝 史東林 張俊巖 鄒佳異

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

汽車空調的除霜性能直接影響駕駛員的視野情況及駕駛安全，是衡量空調系統性能的關鍵指標。傳統的空調系統設計主要依賴經驗，試制后進行測試，難以得到流場的詳細信息，需要反復試制和測試，增加汽車開發成本，延長開發時間。而CFD 分析能夠得到詳細的流場信息，不但可以驗證設計的合理性，也可以為設計改進提供依據，并且能夠大大縮短開發時間，大幅降低開發成本[1-3]。由于影響除霜分析結果的因素較多，文章依據GB 11555—2009《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統的性能和試驗方法》[4]，以商用CFD 軟件STAR-CCM+為主要研究工具，在大量的數據積累和驗證計算的基礎上，研究了除霜分析計算過程中玻璃內表面第1 層網格厚度以及模型計算域的大小處理對計算結果的影響。

1 計算模型及邊界條件

1.1 基礎理論

STAR-CCM+中擋風玻璃和側窗玻璃的除霜分析包括穩態分析和瞬態分析2 個過程。

穩態分析關注風窗玻璃和側窗玻璃各區域表面的氣體流動速度大小；而瞬態分析關注風窗玻璃和側窗玻璃各區域霜層厚度隨時間的變化，需考慮乘員艙內部溫度場對玻璃內表面的對流傳熱、玻璃的熱傳導以及霜層的融化。

1）乘員艙內部溫度場對玻璃內表面的對流傳熱計算式為：

式中：Φ——熱流量，W；

h——表面傳熱系數，W/(m2·℃)；

A——表面面積，m2；

tc——乘員艙內空氣溫度，℃；

tg1——玻璃內表面溫度，℃。

2）玻璃內表面到玻璃外表面的熱傳導計算式為：

式中：λ——熱導率，-λ 表示熱量傳遞方向與溫度升高方向相反，W/(m·℃)；

tg2——玻璃外表面溫度，℃；

x——玻璃厚度，m。

3）STAR-CCM+中霜層融化原理圖，如圖1 所示，其中假設融化的霜變成水后全部流走，不殘留在玻璃或冰層上，且不再凝固為霜，即

根據圖1 得到整個除霜過程的能量平衡方程為：

其中：q=Φdt。

則霜層厚度隨時間的變化方程為：

hs（Tice）——霜在初始狀態下的焓，J/kg；

q——乘員艙通過玻璃傳遞給霜的熱量，J；

t——時間，s；

hL（TF）——霜在剛好融化為水臨界狀態下的焓，J/kg；

Cemp——霜吸收熱量占總熱量的經驗系數；

s——霜層厚度，m；

ρs——霜層體積質量，kg/m3。

1.2 計算模型建立

根據整車除霜區域建立除霜系統封閉腔體的模型，如圖2 所示。

1.3 邊界條件

流體區域空氣假定為不可壓氣體，湍流模型選擇Realizable K-Epsilon 模型，采用2 階迎風差分格式進行空間離散，迭代方式采用Simple 算法，玻璃表面位置激活thin film 模擬霜層，霜層厚度設定為0.5 mm，詳細邊界設定如下：

1）環境溫度為-18 ℃；

2）除霜風道入口氣流速度為10.834 m/s，入口溫度隨時間變化的曲線，如圖3 所示；

3）出口邊界為自由流出口；

4）其他邊界為壁面邊界，初始溫度均為-18 ℃。

2 結果分析

2.1 第1 層網格厚度對比

針對第1 層網格厚度影響，提出方案1（0.4 mm）和方案2（1.2 mm），2種方案的其他設置均相同。分別建立計算模型，經過3 000 步的穩態計算，已達到收斂，得到玻璃內表面的氣體流動速度分布，如圖4 所示。

如圖4 所示，對比玻璃內表面速度大于1.8 m/s 的紅色區域，方案1 明顯小于方案2，其主要原因是玻璃內表面第1 層網格厚度影響所致。因STAR-CCM+作為一款有限體積法計算流體動力學軟件，其玻璃內表面速度為第1 層網格節點上的速度。由于空氣粘性的作用，在玻璃內表面將形成速度邊界層，其速度值是隨遠離壁面的程度而逐漸增大，故會造成邊界層內第1 層網格厚度不同，從而使讀取的速度分布不一致[5]。

因此，在穩態除霜分析時，應首先確定第1 層網格厚度，進而用玻璃內表面速度大小和區域來衡量除霜效果。

2.2 計算域對比

除霜分析模型計算域的大小通常有完整乘員艙模型和B 柱前（不完整）乘員艙模型2種，如圖5 和圖6所示，分別對2種模型進行穩態和瞬態分析對比。

2.2.1 穩態除霜分析

針對完整乘員艙與不完整乘員艙模型計算域大小，提出2種方案，如表1 所示。經過3 000 步的穩態計算，模型已達到收斂，得到計算時間、各出風口風速和風量分配，如圖7 和圖8 所示。

表1 除霜分析2種方案對比表

由表2 可知，由于計算域的減小，在體網格各項設置相同的情況下，體網格數量明顯下降，最終使方案2計算時間減少30%；由圖7 可知，由于計算區域的減小，出風口速度有所增加，但最大增加量僅為1%；由圖8 可知，各出風口風量分配不變。

綜上，在工程設計階段需要分析風量分配時，可考慮建立不完整乘員艙模型計算除霜風道各出風口風量分配，從而減少計算時間，以便更快速地為設計人員提供分析結果。

2.2.2 瞬態除霜分析

在穩態計算收斂的基礎上，對表1 中的2種方案進行瞬態計算20 min 后，霜層已全部除凈。圖9 示出玻璃表面瞬態除霜時間-面積對比圖。

由圖9 可知，由于計算域的減小，各時刻的除霜面積比有所增加，16 min 時不完整乘員艙比完整乘員艙增加了約8%，其原因主要有2種：第1 種是不完整乘員艙模型各出風口速度較大，使其玻璃內表面與艙內空氣的表面傳熱系數較完整乘員艙模型大，其熱流量大；第2種是不完整乘員艙模型計算域較小，在相同熱量的情況下，其溫升較完整乘員艙模型快，玻璃內表面與乘員艙溫差較大，玻璃內熱流量大。2種原因均使不完整乘員艙模型較完整乘員艙模型的熱流量大，從而除霜速度較快，使其結果與試驗結果偏差較大。因此，為保證瞬態除霜分析與試驗結果有可對比性，應建立完整乘員艙模型進行瞬態除霜分析。

3 結論

基于STAR-CCM+軟件對汽車除霜分析中玻璃內表面第1 層網格厚度及計算域的大小進行研究，固化了其部分參數，為評價及對比除霜分析結果提供依據。

1）在穩態除霜分析時，應首先確定第1 層網格厚度，進而用玻璃內表面速度大小和區域來衡量除霜效果；

2）在工程設計工藝階段，應建立不完整乘員艙模型進行計算，以便快速為設計人員提供空調除霜風道各出風口風量分配分析結果；

3）瞬態除霜分析時，應建立完整乘員艙模型進行計算，以保證瞬態除霜分析與試驗結果有對比性。