采用CFD穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析技術(shù)提升車輛除霜性能

懷自力 陳偉

摘 要：本文利用CFD軟件對車輛除霜性能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，找出原設(shè)計(jì)性能不佳的原因，通過對風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)提升風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速覆蓋情況，并通過瞬態(tài)仿真驗(yàn)證改進(jìn)后的性能，結(jié)果表明除霜性能改善明顯。

關(guān)鍵詞：除霜性能;風(fēng)道設(shè)計(jì);穩(wěn)態(tài)仿真;瞬態(tài)仿真

汽車空調(diào)的除霜性能直接影響駕駛員視野情況和駕駛安全，是衡量空調(diào)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。CFD分析能夠驗(yàn)證空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，可以為設(shè)計(jì)改進(jìn)提高依據(jù)，大大縮短開發(fā)時(shí)間[1]。

本文中的車型客戶感知除霜模式下副駕位置除霜效果不佳。為了提升性能本文利用STA-CCM+仿真軟件進(jìn)行問題排查和性能提升。

1 模型建立

本分析所建的設(shè)計(jì)模型包括空調(diào)主機(jī)（HVAC）、除霜風(fēng)道、格柵、封閉乘員艙（方向盤、儀表臺、ABC柱、風(fēng)窗等）。其中前風(fēng)窗根據(jù)國標(biāo)要求[2]進(jìn)行A區(qū)A`區(qū)B區(qū)劃分，側(cè)風(fēng)窗根據(jù)駕駛員視野范圍進(jìn)行視野區(qū)/非視野區(qū)劃分，根據(jù)除霜?dú)饬鞒隹谖恢脛澐譃樽髠?cè)、中左、中右、右側(cè)風(fēng)口，圖1為本車型的模型視圖。

在前處理軟件Hyper-mesh中對以上所述的數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格劃分后進(jìn)入Star-ccm+軟件中進(jìn)行分析。模型選用帶邊界層的多面體網(wǎng)格，空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器和散熱器采用無邊界層的多孔介質(zhì)處理。本車型所用空調(diào)風(fēng)機(jī)除霜模式下最大風(fēng)量325.6m3/h。

2 問題排查

經(jīng)分析，原設(shè)計(jì)四個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量分風(fēng)比符合設(shè)計(jì)要求，且問題所指的副駕位置風(fēng)口風(fēng)量比主駕風(fēng)量更大。如表1所示。排除由于風(fēng)量分配而導(dǎo)致的問題。

通過分析前窗玻璃表面最大風(fēng)速覆蓋區(qū)域狀況，可以看出副駕位置（A`區(qū)）風(fēng)速有明顯的低風(fēng)速區(qū)（風(fēng)速≤1m/s），符合客戶感知的副駕除霜效果不佳的情況。主駕位置（A區(qū)）左上角也有小面積低風(fēng)速區(qū)，側(cè)風(fēng)窗視野區(qū)沒有低風(fēng)速區(qū)。如圖2所示。所以設(shè)計(jì)需要改進(jìn)前風(fēng)窗表面高風(fēng)速覆蓋區(qū)域。

3 改進(jìn)方案描述

通常改進(jìn)風(fēng)窗表面風(fēng)速覆蓋狀況可以通過改進(jìn)出風(fēng)口格柵設(shè)計(jì)、儀表臺風(fēng)口造型設(shè)計(jì)、儀表臺出風(fēng)口開口面積設(shè)計(jì)等措施。但針對本車型，車輛已接近量產(chǎn)階段，以上改進(jìn)措施受限于開發(fā)周期和成本增加均不適用。本次將從除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。

針對風(fēng)道外部輪廓和內(nèi)部隔板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，共提出五個(gè)改進(jìn)方案，與原設(shè)計(jì)對比如圖3。

4 改進(jìn)方案的穩(wěn)態(tài)分析

依舊采用建立的仿真分析模型分析分風(fēng)比。從表2看出，case3分風(fēng)比不符合設(shè)計(jì)要求不采納，其他方案均符合設(shè)計(jì)要求。

除case3外，分析其他四個(gè)改進(jìn)方案的風(fēng)速覆蓋情況。結(jié)果如圖4所示。

Case1副駕和主駕低風(fēng)速區(qū)都有改善，但還是存在低風(fēng)速區(qū);case2副駕缺流嚴(yán)重，不采納;case4和case5主駕副駕均沒有低風(fēng)速區(qū)，側(cè)窗視野區(qū)氣流均覆蓋完整，但A區(qū)和A`區(qū)交界處case5風(fēng)速分布更完整。以上改進(jìn)方案采納case5。

5 改進(jìn)方案的瞬態(tài)分析

穩(wěn)態(tài)分析完成后，將進(jìn)行case5方案的瞬態(tài)分析，圖5為瞬態(tài)分析不同時(shí)刻對應(yīng)的前擋玻璃溶霜圖。將分析結(jié)果與國標(biāo)要求[2]對比，結(jié)合云圖可知，case5方案實(shí)施后滿足國標(biāo)要求，副駕除霜性能改進(jìn)顯著。

6 結(jié)束語

本文針對客戶感知的副駕除霜效果不佳的問題，對除霜性能進(jìn)行流場仿真分析，通過穩(wěn)態(tài)分析找出問題在于A`區(qū)域高風(fēng)速氣流覆蓋率低。通過對風(fēng)道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，提升覆蓋率。通過瞬態(tài)分析驗(yàn)證改進(jìn)后除霜效果符合國標(biāo)要求，同時(shí)改進(jìn)了A`區(qū)的氣流覆蓋狀況，性能提升顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡忠輝，史東林等.基于STAR-CCM+的汽車除霜分析[J].汽車工程師，2014（03）：50-53.

[2]國家發(fā)展和改革委員會.GB/T 11555 汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法[S].

作者簡介：懷自力（1984-），男，安徽亳州人，碩士，工程師，主要從事整車系統(tǒng)性能開發(fā)研究。