某特種駕駛室除霧風道的正向開發

楊曦明

摘 要：文章以某越野車特種駕駛室除霧風道為研究對象，對正向開發過程中的各個階段進行研究。探討了除霧系統在以下幾個方面開發過程中的方法，并對開發經驗進行總結。其主要包括前除霧風管的設計、除霧風道的CFD分析、除霧風道的優化、除霧結果分析、快速樣件風速測量、除霧試驗。此次除霧系統正向開發事例，為后續車輛的除霧系統的開發提供了可借鑒的理論基礎、設計范例、仿真研究、試驗驗證方法，使其能滿足一般汽車的除霧性能要求，減少其開發時間和開發費用。

關鍵詞：汽車；除霧；風道設計；CFD

中圖分類號：U467 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-51-04

Abstract： In this paper， the research object of demist duct about an off-road vehicle cab is studied in all stages of the positive development process. Demist system is discussed the following aspects in the process of development methods， and to summarize development experience， mainly including former demist duct design， in addition the CFD analysis of demist duct， the optimization of mist duct， the mist analysis results， wind speed measurement results of rapid sample， the demist test. Through this positive development examples of demist system， the development of the demist system can be drawn lessons from the basic theory， the design theory， simulation and test verification method， satisfied with the requirement of automobile demist regulations. and it reduces the development time and development costs.

Keywords： Automobile； Defogging； Air duct design； CFD

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-51-04

前言

汽車在寒冷或潮濕環境下行駛時，駕駛室內乘員呼吸出和體表蒸發的水蒸氣，遇到前風窗和車門窗玻璃，受冷凝結成小水滴，吸附到玻璃上，在風窗玻璃的內表面上形成一層不均勻的薄霧。這影響駕駛員觀察路況的視線，嚴重威脅駕乘人員的安全。駕駛室風窗玻璃起霧，冬季在我國北方，特別是東北、內蒙、新疆等高寒地區尤為明顯；夏季在我國南方，特別是廣東、福建、云南等高濕地區尤為明顯。

1994年國家出臺了針對除霧性能的強制檢測標準——GB11555-1994，《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統的性能要求及試驗方法》（現該標準已更新到GB11555-2009）[1]。它要求每輛汽車應裝備除霧系統，能夠確保在潮濕天氣條件下恢復風窗玻璃的能見度。具體要求如下：在10分鐘內，汽車玻璃A區90%完成除霧，B區80%完成除霧。

1 前除霧風管的設計

1.1 前除霧區域的定義

車輛的除霧區域，根據GB11562-2014《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》[2]進行確定A區和B區。A'區和B'區是以汽車縱向中心平面為基準面，與A區和B區相對稱的區域。A區、B區、A'區、B'區即該車輛所須的除霧區域。 本車的除霧區域見圖1。

1.2 前除霧出風口數量

前風擋玻璃為兩塊玻璃，單個玻璃的長寬比接近2：1，為保證除霧風口除霧時形成的風幕能完整的覆蓋每塊玻璃主要區域，前除霧出風口在每塊玻璃下面需布置兩個風道，每個風道有兩個出風口，共8個出風口。如圖2、圖3：

1.3 前除霧風管設計要素

1.3.1 前除霧風管的中心與前風擋玻璃的距離受造型影響為50mm左右，通過查表（見表1）[3]，最后選擇前除霧風管的出風方向與前風擋玻璃的夾角30°左右。

1.3.2 為減少氣流損失，前除霧風管兩側的設計角度為30°、45°、60°，都不大于60°。[4]

1.3.3 風管的寬度為300mm左右，滿足200mm-400mm的區間。

1.3.4 風管的寬度/高度=3，滿足≥1.75的需求。

1.3.5 風管之間的盲區為65mm、105mm、145mm，均小于200mm。

1.3.6 風道盡可能圓整，避免風道斷面的突變。

1.3.7 風道入口截面面積和出風口截面面積盡可能相近。

1.4 前除霧風管三維數據設計

除霧風道在設計時，由于受儀表板空間的嚴格限制，會因各種避讓增大風阻。在遵循風道的設計要素下，設計風道三維數據如下：

2 除霧風道的CFD分析

2.1 幾何模型

本文車型的除霧風道是在CATIA V5 R19的平臺上進行設計的。幾何模型完全保留了實際構建的幾何特征，但為方便除霧計算，一些細小的幾何特征將被忽略，例如管道的弧形倒角將按照硬性直線倒角對待。

網格劃分是運用HyperMesh完成，對于復雜的風道結構，主要采用非結構化的四面體網格進行網格劃分，在風道、風窗玻璃內表面及儀表盤表層布置有3層邊界層（見圖4）。網格類型為Polyhedral Mesher和Prism Layer Mesher。

除霧系統是主要以管道流動配合除霧模型的三維瞬態流場分析，通過STAR CCM+軟件采用有限體積方法離散流場求解N-S方程。對熱源的模擬采用流體域施加能量源項的處理方法進行處理。

除霧風道總計有四個出風箱outlet1、outlet2、outlet3、outlet4，每個出風箱又分為左右兩部分，從左至右分別命名為outlet1R，outlet1L，outlet2R，outlet2L，outlet3R，outlet3L，outlet4R，outlet4L，如圖4所示。其中outlet1R，outlet1L，outlet4R，outlet4L每個有12個出口。

2.2 計算模型及邊界條件

選取穩態計算模型，湍流模型選取Realizable K-Epsilon模型。風道本體為無滑移壁面。

除霧風道入口為流量入口，出口為Pressure Outlet。

除霧器流量為900m3/h，功率6000W（發動機冷卻水水溫80℃），出風相對濕度96%。

2.3 計算結果分析

從圖5 流線圖中可以看出出風箱outlet4出風不暢，在右部有較大回流區域，導致outlet4R出風量相對于outlet4L明顯偏小。圖6展示了各個出口截面的速度分布?？梢钥闯?，outlet4R出口平均速度最低。

各個出口出風量及所占比例見表2。其中項目占比指的是各個出口出風量占總出風量的比例。從表2可以看出，outlet4出風量最大，outlet1出風量最小。四個出風箱出風量比較平均，但是outlet4左右兩部分出風分配極不均勻。

3 除霧風道的優化

3.1 幾何模型

鑒于四個出風箱出風量比較平均，僅出風箱4左右兩部分出風極不均勻，優化主要針對出風箱4進行。由于周邊部件的限制及安裝需求，對出風箱4做了以下四個方案（見圖7）。

3.2 計算結果分析

四種模型的各個出口出風量及占比見表3?？梢钥闯?，每種模型四個出口的出風量分配都比較均勻，但只有Model4的出風箱4左右兩部分出風量比較均勻，符合設計要求。

4 除霧結果分析

風量設計標稱風量為900m3/h，霧層厚度0.015mm。從圖5可以發現經過10分鐘后霧層在風窗玻璃A區完全消除，B區雖有10%的霧層還沒有消除，但符合法規要求。見附圖9、圖10。

故該除霧系統滿足設計要求。

5 快速樣件風速測量結果

5.1 試驗方案

5.2 測量位置見圖11、圖12

5.3 測量數據見表5

5.4 結果分析

從表5中可以看出除霧風口的風速基本均勻，風幕可以覆蓋整個玻璃，滿足設計需求。

6 除霧試驗

6.1 試驗條件

依照GB11555-2009對整車進行除霧試驗考核。

6.2 試驗結果

10分鐘后，除霧面積輪廓圖見圖13、圖14。

6.3 試驗結果及評定

繪制駕駛員和副駕駛員側的除霧面積輪廓圖，計算面積值和所占風窗玻璃總面積的百分比。數據結果按GB/T 8170-2008《數值修約規則與極限數值的表示與判定》要求分別修約到1位小數。

汽車玻璃A區100%完成除霧，B區≧95%完成除霧。滿足法規要求：在10分鐘內，汽車玻璃A區90%完成除霧，B區80%完成除霧。除霧試驗合格。

7 結論

本文通過一款越野汽車的特種駕駛室除霧系統的正向開發，闡明前除霧風道的一般開發過程和須注意事項。首先通過產品三維設計，使調整除霧風口的布置位置和除霧風管的走向，實現可視化和參數化，并能充分利用其它功能件剩余的內部空間。其次通過除霧風道的CFD分析，調整風道風量分配，優化風道設計結構。然后除霧風道在整個駕駛空間內運行的CFD分析，驗證除霧效果。最后通快速樣件的實物驗證，確保產品開發符合設計需求，減少風道的模具更改費用。通過以上分階段過程的嚴格把控，確保了后續整車除霧試驗一次性驗證成功。

上述方法是對特種車輛前除霧風管的以往經驗的總結。新產品的開發依照此方法進行設計，不僅減少方案修改次數，降低開發成本，并且縮短研發周期。

參考文獻

[1] GBll555-2009汽車風窗玻璃除霜和除霧系統的性能和試驗方法.

[2] GB11562-2014汽車駕駛員前方視野要求及測量方法.

[3] 何明，郭華梅，徐波.HNSAE11039淺談前除霧風管的設計.河南省汽車工程學會第八屆科研學術研討會論文集.p72-74.

[4] 何小飛.汽車風道的設計.汽車工程師.2012第8期.p31-32.