汽車風(fēng)擋玻璃除霜效果CFD分析

王 東

（蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校汽車工程系，江蘇 蘇州 215000）

前言

霜凍在秋、冬、春三季都會(huì)出現(xiàn)。霜是接近地層空氣中的水汽，直接在地面或近地面的物體上凝華而成的。溫度越低，空氣密度就越大，比重也越大。隨著空氣的流動(dòng)，最冷、最重的空氣就會(huì)往最低處流動(dòng)，到達(dá)最低處停留后，逐漸積聚凝華成霜。

1 建立模型

汽車前擋風(fēng)玻璃除霜是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程。除霜效果受汽車品牌、車輛大小、環(huán)境溫度等較多因素影響。本文旨在通過(guò)軟件仿真模擬除霜的物理過(guò)程，為便于計(jì)算，將部分不影響揭示除霜過(guò)程計(jì)算的條件簡(jiǎn)化。

簡(jiǎn)化條件：（1）除霜時(shí)間尺度大于車艙內(nèi)空氣流動(dòng)時(shí)間尺度；（2）假設(shè)車艙內(nèi)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)；（3）只有溫度與液相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間發(fā)生變化。

建立模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

網(wǎng)格包含三個(gè)計(jì)算區(qū)域：車艙（流體域）、玻璃（固體域）、霜（流體域）。對(duì)于風(fēng)擋除霜問(wèn)題，玻璃和霜的區(qū)域采用棱柱層網(wǎng)格，車艙區(qū)域采用四面體或六面體網(wǎng)格。

圖1 車廂及擋風(fēng)玻璃網(wǎng)格劃分結(jié)果

2 軟件設(shè)置

在模型設(shè)置中，激活能量方程、湍流模型、凝固熔化模型，其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。

2.1 材料設(shè)置

本文及到三種材料：空氣（air）、玻璃（glass）以及冰水混合物（ice_water），材料均為默認(rèn)值。發(fā)生相變的材料僅為冰水混合物（ice_water）。

2.2 邊界條件設(shè)置

設(shè)置空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)速大小為3.5 m/s，溫度為283 K，出口溫度為285 K。

2.3 計(jì)算方式

本文的計(jì)算方式采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算加瞬態(tài)計(jì)算的方式。先采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)不考慮傳熱。穩(wěn)態(tài)計(jì)算后采用瞬態(tài)計(jì)算的方式，瞬態(tài)計(jì)算時(shí)假設(shè)車艙內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定，僅考慮傳熱。

3 計(jì)算結(jié)果

查看擋風(fēng)玻璃上液相分布，以反映除霜效果。

圖2 600 s時(shí)刻擋風(fēng)玻璃上液相分布圖

如圖2所示為600 s時(shí)刻擋風(fēng)玻璃上液相分布。

如圖3所示為800 s時(shí)刻風(fēng)擋上液相分布。

圖3 800 s時(shí)刻風(fēng)擋上液相分布圖

如圖4所示為1000 s時(shí)刻風(fēng)擋上液相分布。

圖4 1000 s時(shí)刻風(fēng)擋上液相分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)ANSYS軟件，對(duì)汽車前擋風(fēng)玻璃除霜過(guò)程進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果指出：

（1）在除霜初始階段，除霜效果最好的區(qū)域集中在空調(diào)出風(fēng)口附近。

（2）隨著時(shí)間的推移，車內(nèi)溫度上升，除霜區(qū)域面積擴(kuò)大，在兩個(gè)空調(diào)出風(fēng)口中線區(qū)域除霜效果好于兩邊。

（3）整個(gè)除霜過(guò)程中，前擋風(fēng)玻璃前沿及兩邊角落處除霜效果欠佳。