參數(shù)化方法在除霜分析中的應(yīng)用

江漪瀾，馮偉，冷興灼

（漢騰汽車有限公司，江西 上饒 334000）

引言

冬季的北方，在夜間經(jīng)常會(huì)在車輛前風(fēng)擋上形成一層霜層，嚴(yán)重影響駕駛員的視線，造成安全隱患。通常需使用車輛的除霜系統(tǒng)先進(jìn)行化霜工作，因此除霜系統(tǒng)的性能直接影響駕駛員等待時(shí)間和主觀感受。同時(shí)各大汽車企業(yè)都在加速推出新款車型，因此產(chǎn)生了大量的研發(fā)工作，其中大部分工作是單調(diào)且重復(fù)的。同時(shí)由于除霜格柵通常涉及造型，故經(jīng)常出現(xiàn)由于造型的變動(dòng)導(dǎo)致的除霜格柵改變，使得工作量進(jìn)一步的增加。這對(duì)于企業(yè)而言是沉重的負(fù)擔(dān)，對(duì)員工來說是枯燥的工作。目前大部分的汽車企業(yè)的優(yōu)化工作仍然由人工完成，效率不高，同時(shí)可能由于時(shí)間因素，當(dāng)性能滿足企標(biāo)后便停止后續(xù)優(yōu)化工作，放棄了產(chǎn)品性能進(jìn)一步提升的空間。引入?yún)?shù)化方法后，首先可以節(jié)約大量的人工成本，其次可以找到限定條件下的最優(yōu)結(jié)果，提升車輛性能提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。所以未來越來越多的優(yōu)化工作將會(huì)交給優(yōu)化軟件完成，這勢(shì)必成為一種趨勢(shì)。

1 仿真模型的建立

1.1 除霜數(shù)學(xué)模型

除霜過程即由于玻璃內(nèi)表面受到除霜風(fēng)道吹出熱風(fēng)的影響，將熱量傳遞至外表面隨后霜層溫度上升開始融化的過程。

假設(shè)不考慮流動(dòng)損失的能量，可得到如下能量守恒關(guān)系：

式中mm是霜層融化的質(zhì)量；hs是相應(yīng)溫度下的霜層焓值；mr為融化后液體的質(zhì)量；hL為正在融化的霜層在熔點(diǎn)的焓值；qin是玻璃吸收的總熱量；qout為霜層散發(fā)至空氣中的熱量。假定融化后的液體不再結(jié)霜，因此融化后的液體質(zhì)量和霜層融化質(zhì)量相等。考慮液滴的影響后：

其中md為液滴質(zhì)量；hl為液滴焓值；vd為液滴速度；A 為影響面積；為時(shí)間步長(zhǎng)。

1.2 乘員艙模型

根據(jù)乘員艙的實(shí)際空間和仿真分析需求相結(jié)合，做部分簡(jiǎn)化后搭建CFD 仿真模型。其中包含座椅、內(nèi)CAS、除霜風(fēng)管和格柵以及其他封閉所需部分。如下圖1 所示。

圖1 某車型成員艙模型示意圖

1.3 CAD 參數(shù)化變量

為了后續(xù)的優(yōu)化工作，首先需要在CAD 數(shù)據(jù)中建立需求的CAD 模型同時(shí)定義需求的參數(shù)且確定參數(shù)的變化范圍，保證在該范圍內(nèi)CAD 模型能順利建模避免在后續(xù)的優(yōu)化過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致進(jìn)程的意外終止。CAD 模型在整車中的位置如圖2 所示。

圖2 CAD 模型在整車中的位置示意圖

本文主要介紹的是對(duì)輔助風(fēng)口進(jìn)行的參數(shù)化優(yōu)化，以提高前風(fēng)擋下邊角低速區(qū)的風(fēng)速，選取左側(cè)即駕駛員側(cè)進(jìn)行闡述。首先繪制草圖，其中Distance 為本文變量，初始值為0.008m，如圖3 所示。隨后對(duì)草圖進(jìn)行適當(dāng)距離的拉伸得到實(shí)體數(shù)據(jù)，如圖4 所示。最后進(jìn)行布爾運(yùn)算得到需求的仿真模型，如圖6 所示（圖5 所示為布爾運(yùn)算前模型）。

圖3 CAD 草圖

圖4 CAD 實(shí)體模型示意圖

圖5 布爾運(yùn)算前模型示意圖

圖6 布爾運(yùn)算后模型示意圖

2 仿真及優(yōu)化結(jié)果分析

2.1 無輔助風(fēng)口結(jié)果

未添加輔助風(fēng)口時(shí)，由于除霜格柵布置在IP 的中央，氣流從中間向兩側(cè)散開，同時(shí)為了保證氣流能夠沿著玻璃向上留流動(dòng)，除霜格柵和前風(fēng)擋的入射角一般在20°～30°之間，因此導(dǎo)致前風(fēng)擋左右下邊角的區(qū)域，氣流幾乎不能到達(dá)，速度非常低除霜效果較差，除霜時(shí)間長(zhǎng)，影響乘員對(duì)車輛的使用。無輔助風(fēng)口的速度分布如圖7 所示。

圖7 無輔助風(fēng)口的前風(fēng)擋速度分布圖

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

由于安裝點(diǎn)限制，輔助風(fēng)口的參數(shù)變量限制范圍為0～0.03m。為了研究距離變化和前風(fēng)擋風(fēng)速大于0.5m/s 區(qū)域面積大小的關(guān)系，本文使用設(shè)計(jì)掃略的方式代替通常使用的尋優(yōu)算法。掃略以2mm 為間隔得到16 組參數(shù)進(jìn)行仿真。結(jié)果如表1 所示。

表1 優(yōu)化結(jié)果

從依據(jù)表1 繪制的圖8 可以看出隨著距離的變化，前風(fēng)擋區(qū)域速度大于0.5m/s 的區(qū)域呈現(xiàn)出劇烈的波動(dòng)，先后出現(xiàn)多個(gè)波峰和波谷，其中最優(yōu)位置出現(xiàn)在離原狀態(tài)18mm 處。圖10 表明兩者關(guān)聯(lián)性系數(shù)為0.56，呈弱相關(guān)。初步分析原因是由于通過輔助風(fēng)口的的氣流，在除霜風(fēng)管中已經(jīng)處于湍流狀態(tài)，速度的大小和方向都很復(fù)雜，通過輔助風(fēng)口后，氣流首先撞上IP 和前風(fēng)擋隨后部分氣流沿前風(fēng)擋底部向A 柱方向流動(dòng)，另一部分氣流沿著前風(fēng)擋向上運(yùn)動(dòng)，這部分氣流中隨著速度的降低，開始發(fā)生分離現(xiàn)象，少量氣流脫離玻璃表面沿其速度繼續(xù)方向運(yùn)動(dòng)。因此由于氣流多次改變方向且發(fā)生分離現(xiàn)象導(dǎo)致輔助風(fēng)口在IP 上距離的變化與前風(fēng)擋上的速度分布呈現(xiàn)出弱相關(guān)性。通過輔助風(fēng)口后的流線圖，如圖9 所示。

圖8 前風(fēng)擋大于0.5m/s 區(qū)域隨距離變化圖

圖9 通過輔助風(fēng)口后流線圖

圖10 相關(guān)性示意圖

2.3 基礎(chǔ)版結(jié)果與最終優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

為了更加直觀的理解，將基礎(chǔ)版的前風(fēng)擋速度分布同最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如圖11 所示。可看出前風(fēng)擋左下邊角速度分布顯著提升。

圖11 前風(fēng)擋速度分布

3 結(jié)論

通過將參數(shù)化的方法應(yīng)用于某車型的除霜除霧分析中，分析結(jié)果數(shù)據(jù)后得到以下結(jié)論：

（1）使用參數(shù)化的方式，能夠直接從CAD 數(shù)據(jù)開始改變，減少了CFD 工程師對(duì)設(shè)計(jì)人員的依賴，同時(shí)能大量節(jié)省工程師的人工操作，提高工作效率。

（2）左側(cè)的輔助風(fēng)口在限定的范圍內(nèi)存在一個(gè)使得前風(fēng)擋速度分布大于0.5m/s 的面積最大的位置，但是兩者的變化無明顯規(guī)律。

（3）通過添加輔助風(fēng)口，可有效提高前風(fēng)擋兩側(cè)下邊角低速區(qū)的氣流速度。