基于CFD方法的空調風管除霜性能開發

龔興旺 馮英 李小華

摘 要：基于空調風管除霜性能開發過程，將總體性能分解到風管性能、玻璃近壁面的速度性能以及考慮溫度的除霜性能。使用計算流體力學（CFD）方法，在設計前期通過穩態分析控制風管的性能及速度性能;在設計后期通過瞬態分析評估空調除霜的能力。分析結果表明，空調除霜性能目標從部件到整車均滿足要求。

關鍵詞：除霜;風管;數值模擬

中圖分類號：U467.3 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）05-62-03

Abstract： Based on HVAC deicing performance development， cascade the total performance to duct， near wall velocity of windshield、deicing performance with temperature performance. Using CFD Method， Control the duct and windshield flow performance by steady simulation in early design， Access the deicing performance by transient simulation in late design. Simulation results shows， performance of deicing performance satisfy the target from system to vehicle.

Keywords： Defrosting; Duct; Numerical simulation

前言

空調系統的除霜能力與汽車的安全性密切相關，受限于實驗上整車樣車的要求，需要在整車開發前期就能識別出空調系統除霜能力并達成定義的目標要求。應用CFD方法模擬空調風管的除霜能力在過去幾年中得到了大量的研究并得到廣泛的運用。

應用CFD技術預測除霜的能力，經歷了兩個發展過程，一種為通過計算穩態過程中玻璃近壁面湍動能k來評估。該思路的核心是k的強度與熱通量成正比[1]。一種為對汽車內部流場進行了模擬，定量分析了車內氣流的速度、溫度、濕度、以及車窗玻璃的溫度和空氣的傳熱量等參數對除霜除霧效率和效果[2][3][4]。前一種方法具有計算周期短，對工程要求反應更快的優點，未考慮到除霜過程;后一種方法可以模擬出任意時刻的除霜過程，計算周期較長。

在整車空調除霜性能開發中，首先需要將整車目標分解到系統級的性能要求，然后在系統集成階段驗證整車性能是否滿足目標要求。基于此過程并結合CFD方法，在不同階段，采用不同的分析方式來開發空調系統除霜性能，可以將整體目標分解成除霜管道的壓降及分風性能以及玻璃近壁面速度并通過穩態計算來評估，在系統向整車集成的過程中，通過瞬態求解來評估整體性能目標的符合度。

1 性能目標分解

空調風管除霜的過程主要如下：鼓風機帶動加熱后的空氣，通過除霜管路，從儀表臺上的出口進入乘員艙，吹響玻璃表面。熱空氣在玻璃表面進行熱交換，從而促成玻璃表面冰層的融化。從除霜機理上分析，除霜性能主要與兩個因素相關：良好的氣流以及較高的氣流溫度。

良好的氣流主要指兩方面。一方面指通過玻璃表面氣流的覆蓋面，要求除霜出風口有足夠的風量，即要求風管管道本體的壓降較小。第二個方面要求是指氣流和玻璃表面之間有高的熱傳導，即氣流要以盡可能高的速度接近玻璃表面。

較高的氣流溫度，才能有良好的除霜性能。這部分主要取決于暖通空調和加熱器核心的效率，即要求流經加熱器核心的冷卻劑有較高的溫度和流速。

從以上過程來看，正確的氣流管理顯得尤為重要。如上所述，即需要通過玻璃表面的氣流有最大的熱傳遞，從出風口出來的空氣直接吹到玻璃表面并附著在盡可能多的玻璃表面區域。

2 除霜性能的目標及評價方法

要獲得良好的除霧和除霜性能，在限定了鼓風機性能的條件下，需要盡量去優化壓降及速度分布。

2.1 除霜風管壓降目標及評價方法

管路壓降直接影響到空調管道進入乘員艙的進風量，最終影響到吹響玻璃表面空氣的流速。在空調性能開發要求管路的壓降處于一個合理的范圍內，通過CFD方法建立的除霜管路模型如圖1所示。

為了保證前除霜以及測除霜能同時滿足，對于兩側出風以及中間出風的流量分配也有要求，如下表1所示。

2.2 玻璃近壁面流速目標及評價方法

良好的除霜效果需要玻璃壁面盡可能高的速度以及覆蓋區域，為了模擬擋風玻璃和側窗的速度分布，必須將HVAC單元的模型與除霧和除霜管道的模型及其各自的格柵結合起來。此外，模型中包含了完整的乘員艙內模型，如圖2所示。

為了觀察氣流覆蓋的區域，按照GB11556-1994的要求，在分析模型中顯示出相應的除霜法規區域要求，作為后續風速覆蓋面積的判斷邊界，下圖3為考慮到前窗及側窗除霜法規區域要求的流體分析模型。

近壁面流速的目標，需要結合到通過暖芯的溫升曲線來確定，本次計算中所使用到的暖芯性能為借用件，其對除霜效果的影響，已通過基礎模型的標定，并結合工程經驗，將玻璃近壁面的空氣流速標定為1m/s。

2.3 瞬時除霜目標及評價方法

瞬時除霜的效果同時受到空氣溫升、環境溫度以及玻璃表面熱物性以及霜層厚度的影響。

國標GB11556-1994中對除霜的邊界以及除霜的目標以及評估方法有明確的定義，瞬態除霜分析需要在分析模型中按照國標要求施加相應的約束邊界，從而評估出除霜效果的符合性。本文利用ANSA軟件對某車乘員艙及HVAC風道模型進行網格前處理，star-ccm+軟件進行面網格修理和體網格劃分。前擋風玻璃和側窗玻璃法向正向拉伸5層，作為目標霜層，考慮空氣為理想氣體，進口邊界設置為流量入口，出口邊界設置為壓力出口，入口溫度為隨時間變化的曲線。

3 分析及結果

3.1 風管壓損及流量分配優化

初始方案中央管道形狀與側管道的流量分配不滿足目標要求，通過管道截面的優化，增加中央管道的導流葉片，優化中央出風口格柵角度，縮小兩側導流板，優化側窗除霜管道和出風口格柵，調整管道的走向，流量分配滿足目標要求，管道壓降也從65Pa降低到了55Pa。除霜管道滿足性能要求，如圖4所示。

3.2 近壁面速度分布優化

初始方案前擋及側風窗玻璃的近壁面分布速度云圖不滿足性能要求，主要為前擋玻璃的目標區域中間有低速度尖角，兩側有較大低速度區，風口出風主要集中在目標區域中間;主駕側風窗玻璃一半目標區域速度未達到1m/s，其出風氣流沖擊在視野區前方，視野區內流速較低，都不利于除霜。

通過對風格內部導流葉片進行調整以及風管出風口格柵進行調整，并將側出風口格柵角度向下旋轉約2～3°，計算后的結果如圖5所示。從圖中可知，優化方案的前擋風玻璃以及側窗玻璃法規要求視野區域速度均大于1m/s，滿足速度目標要求。

3.3 瞬態除霜效果校核

以滿足速度目標分布的優化后模型為基礎模型，進行瞬態除霜計算，按照瞬態除霜邊界進行設置，計算結果如圖6所示，20min時，前擋玻璃和側擋玻璃的霜層均已基本除凈，完全達到國標要求。

4 結論

本文論述了風管除霜分析常用的兩種分析手段，并根據空調性能開發的要求，將整體要求細分到系統的目標要求。再通過CFD方法對目標性能進行了評估。

（1）采用CFD方法模擬汽車空調風管除霜器和擋風玻璃的流動和冰層的融化，以冰的液體分數來確定除霜模式的速度場。

（2）將空調風管除霜的目標分解到風管以及速度場，并通過速度以及壓力的目標來控制系統的目標要求。

（3）CFD分析結果顯示穩態速度場分布與瞬態的冰液體分數分布上有較好的一致性，CFD模型識別氣流流動及擋風玻璃除霜趨勢的能力較好。根據CFD穩態分析與瞬態分析之間的關聯度，除霜性能分解的目標要求具有一定的可靠性，穩態分析可以作為除霜器性能和優化的有效技術。

參考文獻

[1] Chris Swales，Christoph etc. Combining CAE and Experimental Techniques to DevelopOptimal Defrost/Demist Performance in a vehicle.SAE 200-01-1506.

[2] 鄧峰，谷正氣，楊易.等.汽車前風窗玻璃除霜除霧數值模擬分析和研究[J].汽車工程，2009，31（ 2） ： 175-179.

[3] 袁俠義，戴澍凱，姜葉潔.等.汽車除霜性能CFD分析與試驗驗證[J].客車技術與研究. 2015，（5）：52-54.

[4] 張曉蘭，施俊業，陳江平.汽車擋風玻璃除霜性能數值模擬[J].汽車工程， 2007，29（ 11）.

[5] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2004.

[6] 陳孟湘.汽車空調[M].上海：上海交通大學出版社，1997.