基于Star CCM+的汽車燈具的熱量及霧氣仿真研究

鄒 艷，李 浩

(比亞迪汽車工程研究院，廣東 深圳 518118)

引言

汽車燈具作為集光、機、電、熱于一體的較為復雜的汽車零部件系統，它的設計要兼顧這四大方面的性能需求，設計難度指數不言而喻。燈具的熱學性能作為燈具性能要求中極其重要的一部分，其與光學方案的定義、造型空間的布置密不可分。隨著整車前臉造型的扁平化發展趨勢，對車燈空間的進一步壓縮，給車燈的熱管理和熱設計帶來了新的挑戰。同時為了應對市場需求，整車產品的快速迭代，導致開發周期進一步被壓縮。這就需要在車燈產品的開發過程中，借助強有力的仿真手段和準確有效的仿真方法，快速地對方案做出熱量風險評估，并給出下一步的優化方向，以期規避產品的熱風險[1]。

現階段，國內外在車燈行業內關于產品的熱量仿真及熱量風險管控技術發展日趨成熟，又以產品的光源不同而側重點有所不同：對于遠近光光源為鹵素燈泡的車燈來說，其發光原理為物體受熱發光，光源的熱輻射對于塑料件來說就是熱量風險的源頭，所以產品的熱風險管控主要針對塑料件的耐高溫問題，充足的燈內散熱空間的需求更為突出；對于光源為LED的車燈產品而言，其主要考慮的是光源受溫度影響的光衰問題，要保證產品的光輸出性能，就需要合理化設計散熱器，保證散熱面積足夠，同時還要針對LED及其他電子元器件制定過熱保護策略，以期望車燈產品在過高溫條件下工作時，LED光源系統可以通過降額工作起到保護作用，不至于發生LED或是電子元器件脫落導致產品失效的風險[2-5]。

Star CCM+作為專業的熱流體解析工具，其采用最先進的連續介質力學數值技術和卓越的現代軟件工程技術結合在一起，擁有出色的性能和高可靠性，是熱流體分析工程師首選的CFD軟件工具。Star CCM+的解析功能強大，其在熱耦合以及除霧的仿真模擬方面均有出色表現，比較適合解決車燈的全部熱量及流體相關的仿真問題。

1 燈具的熱量傳遞機理

汽車燈具產品，燈內的光源即是熱源，一些內置式的驅動器也是熱源，該產品的熱量傳遞機理涵蓋我們常見的熱傳導、熱對流和熱輻射。

1.1 熱傳導

熱傳導指的是物體內部的溫度梯度引起的熱量傳遞，熱對流是流體移動引起的熱量傳遞，熱輻射是電磁波引起的熱量傳遞。

基于熱傳導的熱量傳遞，可以通過式(1)和式(2)表達該過程[6]：

(1)

(2)

通過上式可以看出，在溫度梯度相同時，導熱系數越大，物質的熱傳導引起的傳熱量就越大，即導熱系數越大，傳熱效率越高。例如金屬基板的導熱系數明顯高于FR4的基板，可以更快速有效地將LED光源及PCB板上的發熱電子元器件的熱量傳導出去[7]。

1.2 熱對流

對流換熱的熱量傳遞方式可以用式(3)表達該過程[6]：

(3)

其中，h是傳熱系數，其不同于導熱系數，它是隨著流體的流動狀態變化的。一般情況下，液體的傳熱系數比氣體大，強迫對流比自然對流的傳熱系數大。例如在某些燈內增加風扇，提供主動散熱機制，就是利用風扇工作時，燈內氣流的強制對流來為LED光源提供快速有效的散熱。

1.3 熱輻射

輻射換熱主要是描述兩個溫度不同且互不接觸的物體之間通過電磁波進行換熱的過程，只有熱輻射不依賴于介質，可以用式(4)表達該過程[6]：

(4)

其中，ε為發射率，σ為玻耳茲曼常數，q為熱流密度。通過上式可以看出，要強化該輻射換熱的過程，則可以提高熱源表面的發射率，例如給散熱器表面做陽極氧化黑化處理，提高散熱器向外輻射熱量的能力。

2 燈具的起霧除霧機理

燈具工作點亮光源時，內部氣壓是增大的，所以產品設計中既要考慮到產品的密封性，不會因為進水導致燈內的電子元器件失效，又要保證產品結構不會承受過大的內外壓差力而破壞，這樣燈具產品一般情況下是設計有通風系統的。

既然產品有通風系統，就難免燈具會有濕空氣進入，而如果含有大量水分的濕空氣進入燈具內部，在某些特定的使用場景下，如冬季溫差過大，或是洗車高濕環境等，燈具內部高濕氣體遇到溫度過低的面罩，就有可能在面罩冷凝，形成霧氣，尤其在面罩的一些邊緣拐角區域，氣流循環不暢、氣體滯留的區域[8]。

伴隨著國內汽車行業的快速發展，汽車燈具行業從產品設計、制造、工藝都日趨成熟，但燈具起霧現象仍十分普遍，想要尋找出成本低廉且又能解決該問題的方案，一直是行業的難題。

目前行業通常的解決思路主要有三類：一類是以VW大眾為代表的，其通風方案是在燈具殼體側預留多個通氣孔，甚至添加主動進氣軟管，增加燈內外氣體交換速率，在霧氣不可避免形成之后，使得面罩霧氣能夠快速消散；一類是以一些自主品牌主機廠(吉利、比亞迪)為代表的，其通風系統僅僅布置一到兩個平衡燈內外氣壓的透氣膜，且以選用防水等級更高、透氣速率更低一些的透氣膜為主，以盡可能減少燈外濕氣的進入，且在必要時添加干燥劑來吸收水汽，以達到降低霧氣形成風險的目的；還有一類是不惜成本的方案，比如BWM寶馬配置激光大燈車型，其在燈內配備冷凝裝置，燈內的濕氣可以在該裝置工作時，吸附冷凝于該裝置中，直接形成液態水排出燈外，徹底杜絕霧氣困擾[9,10]。

3 基于Star CCM+的熱量仿真

與其他有限元仿真計算過程類似，基于Star CCM+的燈具的熱量及空氣流動仿真過程，也是由模型前處理、模型的物理參數、邊界條件設置，求解計算，后處理及結果解讀評價，并依據仿真結果提出結構優化措施等幾個部分組成。

下面以某車型的前燈產品為例，說明在產品設計過程中，是如何利用仿真手段，基于軟件Star CCM+進行仿真模擬，預測產品各部件的熱量風險等級，以及對透明面罩可見區域的霧氣潛在形成區域的識別，并提出相應的風險規避措施，有效降低潛在風險的。

3.1 某前燈的熱量仿真模型簡介

該前燈產品近光功能由飛利浦的鹵素光源H7燈泡+透鏡模組構成；遠光功能由飛利浦的鹵素光源H7燈泡+反射碗構成；轉向功能由飛利浦的PY21W燈泡+反射碗構成；日行/位置燈功能由LED光源+光導方案構成。該模型既有傳統的鹵素燈泡光源，也有代表發展趨勢的LED光源，燈內組件材料以熱塑性材料為主，PC、PBT居多，還有PP、PA66以及熱固性耐高溫材料BMC，模型如圖1所示。

圖1 某前燈CFD模型Fig.1 CFD Simulation Mode of Head Lamp

對模型進行環境溫度70 ℃，點亮模式為夜間模式，產品靜置，產品完全封閉狀態下的高溫工況模擬，以識別塑料部件的溫度響應是否在材料可耐受溫度范圍內。燈具周邊氣體域用尺寸近似于高溫試驗箱尺寸的盒子替代，對該氣體域盒子設置尺寸較小(30 mm左右)的進出口(速度進口，壓力出口)，利于模型整體的氣流趨于穩態的計算，提高計算收斂性能力。熱源功率輸入部分信息如表 1所示。

表1 模型熱源功率信息Table 1 Input thermal power information of the model

3.2 某前燈的熱量仿真分析結果

該前燈產品在70 ℃高溫、夜間模式工況下的仿真結果匯總如表 2所示；關注重點的熱源截面的溫度分布如圖2～圖5所示。

表2 部件溫度仿真結果匯總Table 2 Overview of the parts’ thermal response

圖2 前燈近光截面溫度分布圖Fig.2 Thermal distribution at Section LB

圖3 前燈遠光截面溫度分布圖Fig.3 Thermal distribution at Section HB

圖4 前燈轉向燈泡截面溫度分布圖Fig.4 Thermal distribution at Section DI

圖5 前燈位置燈截面溫度分布圖Fig.5 Thermal distribution at Section PO

3.3 結構熱量風險評估與優化

針對部分有風險的零件，分析其熱點形成的原因，并提出相應的改進措施。

3.3.1 殼體的風險與措施

殼體的溫度分布云圖如圖6所示，其熱點位置1為轉向反射鏡安裝的定位銷，位于轉向燈泡熱源正上方，可以考慮遠離熱源來降低溫度，縮短定位銷尺寸或是該定位點的位置往殼體側后移；熱點位置2位于遠、近光上方的殼體膠槽附近區域。近光上方局部區域達到140 ℃，達到PP-TD40材料許用的溫度極限，考慮該位置處于膠槽區域，一旦長時間達到140 ℃高溫的話，密封性會存在一定的風險。需要制定措施來降低殼體的位于近光上方的膠槽區域的溫度水平。首先分析殼體上熱點2溫度過高的原因，其主因是受限于z向空間，近光模組與燈殼之間間距不足導致，從熱流走向可以看出，反射碗前側上方為高溫相對集中區域，在z向空間無法加大的情形下，可以考慮通過結構優化遮擋熱流，避免過多的熱量流向上方，如圖6所示，封閉模組透鏡支架結構的兩側區域，只留開口朝下。

圖6 前燈殼體溫度分布圖Fig.6 Thermal distribution of housing

3.3.2 主襯框的風險與措施

主襯框的溫度分布如圖7所示，由于熱點位置位于對應于遠光光源斜上方的某個安裝卡扣區域，一方面可以考慮削減該熱點區域的材料，調整安裝卡扣在x向的位置，盡可能遠離熱源，如果結構安裝實在需要，無法避開，可以考慮以材料升級至PBT-GF10作為備選。普通PBT耐溫可達180 ℃，若材料升級至PBT-GF10，耐溫可達200 ℃。又考慮到仿真條件一般稍偏嚴苛于實際，當前仿真結果超出材料維卡溫度僅7 ℃，風險不大，可結合后期高溫試驗結果再定是否升級材料的耐溫等級。

圖7 前燈主襯框溫度分布圖Fig.7 Thermal distribution ofmain bezel

3.3.3 眉襯框及模組支架風險與措施

眉襯框的溫度分布如圖8所示，熱點位置位于近光上方的該結構上的一個定位銷，該熱點的風險規避，比較簡單有效的方式是挪動定位銷位置或是縮短尺寸，遠離熱源；也可以結合殼體膠槽的位于近光上方的熱點區域的溫度改善方案進行，即加大模組透鏡支架的封閉區域，減少熱流直接串入上方區域，優化該模組透鏡支架局部結構，更改為類似圖9所示右側模組的結構。

圖8 前燈眉襯框溫度分布圖Fig.8 Thermal distribution of eye brow bezel

圖9 前燈模組透鏡支架結構優化示意圖Fig.9 Optimize the module support frame structure

3.3.4 轉向燈反射碗風險與措施

轉向燈反射碗的溫度分布如圖10所示，熱點位置位于光源正上方，該零件的上方開口實際是為了緩解該零件的熱點問題，但同時會帶來大量熱量向上流動，影響到殼體區域，所以開口不能再加大，且遮擋結構不能取消，因為殼體材料PP的耐溫遠低于該反射碗材料PBT。由于當前仿真結果173 ℃，低于材料的基材耐溫180 ℃，但高于材料表面鍍鋁后的許用溫度165 ℃(由于材料表面鍍鋁，預留了15 ℃溫度余量，防范鋁層脫落風險)。考慮到該熱點區域不可見，即便存在有鋁層脫落風險，但基材不至于熔融或是燒蝕，可以保持當前設計方案不變，以材料升級至PBT-GF10作為備選方案，待實際樣件出來后的高溫試驗再定。

圖10 前燈轉向反射碗溫度分布圖Fig.10 Thermal distribution of DI reflector

3.4 實際樣件高溫測試結果

結合上述風險點及建議，結構優化后實際出來的樣件，據供應商反饋通過了高溫試驗，且要求他們在高溫試驗過程中，重點監測殼體近光上方的熱點區域溫度，試驗結果如圖11所示，試驗通過的報告如圖12所示。從試驗結果來看，實際樣件在近光上方的熱點響應溫度128 ℃，比仿真模型中的140 ℃小約15 ℃。這一方面歸于結構優化改善了溫度分布，一方面試驗中的探測布點位置相對于溫度最高點可能存在偏差，即實際沒有探測到溫度最高點，所以偏差基本在可接受范圍內。綜上，在設計階段，借助仿真手段來規避風險是必要的，且是有效的。

圖11 高溫試驗監測結果Fig.11 The thermal test results of housing

圖12 高溫試驗通過的報告Fig.12 The thermal test report of this lamp

4 基于Star CCM+霧氣消散仿真

基于Star CCM+的燈具霧氣消散的仿真，實際是在假定面罩內表面已經有一層薄霧的情況下，通過觀察其消散過程中內面罩霧層厚度的變化，及經過一段規定時長的霧氣消散后，依然殘留的霧氣區域，來判定當前燈具通風系統的霧氣風險，以及霧氣區域是否影響駕駛的安全性。依然以某車型前燈為例，闡述燈具霧氣消散仿真及結果分析。

4.1 某前燈的霧氣消散仿真模型簡介

由于霧氣消散仿真是一個瞬態分析，且計算量巨大的模擬，可以在氣流穩態分布的模型基礎上進行。所以第一步進行的是低溫邊界條件的燈具的氣體流動穩態分析。在這個過程中，為減小計算量，縮減模型的網格規模，刪掉了燈具外部的氣體域，以設定燈具的外面罩及殼體的換熱系數來等效燈具與周邊環境的熱交換。

仿真模型如圖13所示，物理邊界主要條件為：面罩前側5 ℃，殼體后側10 ℃；車輛行駛速度100 km/h，燈內氣體相對濕度70%，通風孔進氣速率0.3l/min。

圖13 某車型前燈氣流分析模型Fig.13 The air flowing simulation mode

4.2 某前燈的燈內氣體流動仿真結果

由于預留的通風孔較多，依據經驗選擇相對利于燈內霧氣消散的組合進行分析(實際需要結合路試效果，封閉部分通風孔)，一般進氣孔位于車輛里側，出氣孔位于車輛外側。通風系統組合Vent1和Vent6為進氣孔，Vent4和Vent5為出氣孔，該組合下的面罩的溫度分布如圖14所示，內面罩的氣流剪切速率分布結果如圖15所示，內面罩附近區域的氣體流動速率分布結果如圖16所示。霧氣易于在面罩低溫、氣流速率低的區域形成，即圖16中畫圈的區域。

圖14 面罩的溫度分布圖Fig.14 Thermal distribution of the cover lens

圖15 內面罩氣流剪切速率分布圖Fig.15 Wall shear stress on inner surface of the cover lens

圖16 內面罩附近區域的氣體流速分布圖Fig.16 Wall shear stress on inner surface of the cover lens

仔細查看燈內氣流的流向走勢，如圖17所示，發現通風入口附近的結構還有優化的空間，即如果氣流從通風口進入后，可以快速達到面罩區域，不被分流導致流速降低，就可以形成流暢的氣體循環，快速帶走面罩表面的水汽，利于面罩霧氣快速消散。

圖17 根據氣流分析結果的燈內結構優化建議Fig.17 Optimize the structure according to air flowing results

4.3 某車型前燈的霧氣消散仿真結果

基于Star CCM+的thin film模型，進行假定初始霧層厚度下的霧氣消散仿真分析。初始厚度的計算取決于燈內氣體域的體積、內面罩的面積、燈內初始含水量的估算等，一般燈具的初始厚度假定3～5 μm。觀察燈具的消散過程以5～10 min為間隔，一般以1 h為限，希望在1 h內霧氣全部消散掉，至少在消散過程持續到1 h時，位于遠近光光源等照明功能正前方的霧氣必須消散掉，否則不利于駕駛安全。

霧氣消散的過程如圖18～圖23所示，可以清晰看到內面罩表面的霧層厚度的變化，在消散過程持續1 h后，遠近光功能的正前方區域霧氣全部消散，僅面罩的底部區域，尤其右下角區域有殘留。再結合面罩內表面噴防霧漆工藝，霧氣較難形成于帶有防霧涂層的面罩上。綜上可知，該燈具的霧氣風險較低。

圖18 內面罩霧層厚度在300 s時的分布圖Fig.18 Distribution of inner surface fog layer thickness at 300 s

圖20 內面罩霧層厚度在1 500 s時的分布圖Fig.20 Distribution of inner surface fog layer thickness at 1 500 s

圖21 內面罩霧層厚度在2 100 s時的分布圖Fig.21 Distribution of inner surface fog layer thickness at 2 100 s

圖22 內面罩霧層厚度在2 700 s時的分布圖Fig.22 Distribution of inner surface fog layer thickness at 2 700 s

圖23 內面罩霧層厚度在3 600 s時的分布圖Fig.23 Distribution of inner surface fog layer thickness at 3 600 s

4.4 實際樣件霧氣試驗結果

基于該前燈的實際樣件(面罩帶有防霧涂層)，按照試驗要求進行霧氣試驗驗證。經過高溫預處理后的燈具，在持續噴水5 min后，燈具面罩的起霧狀態如圖24所示，霧氣主要集中在面罩底部及與翼子板配合側區域。經過30 min后，面罩上的霧氣基本上完全消散，如圖25所示。

圖24 燈具樣件霧氣試驗起霧區域示意圖Fig.24 Fogging area distribution of the test lamp

圖25 燈具樣件霧氣試驗霧氣消散半小時狀態圖Fig.25 Defogging of the lamp after 30 minutes

實際樣件出現霧氣的區域與產品氣流仿真分析預測結果一致；帶防霧涂層的產品歷經30 min后霧氣全部消散，產品的霧氣風險較低，與假定初始霧層厚度下的除霧仿真分析結果預測風險較低一致。實際樣件30 min即可達到霧氣全部消散，其與仿真過程的消散速度存在差異，其主要原因在于初始假定的狀態不一樣。實際樣件的霧氣消散過程是基于實際的起霧區域及霧層厚度開始的；而仿真模擬是基于假定的3 μm厚的霧層均勻布滿整個面罩開始的。

5 仿真與試驗的對比分析與結論

汽車燈具的CFD仿真模擬，其重點集中在產品的熱量風險預測以及依據燈內氣流走向、流速、分布等信息預測霧氣風險。燈具的熱量風險的仿真預測及改善措施較為成熟，但其作為具備復雜物理現象的產品，發生冷凝現象產生霧氣的仿真模擬與風險預測，目前行業內的各大仿真工具包括Star CCM+尚不能給出十分精確的仿真結果。但本文中提供的基于某前燈的熱量及霧氣消散的仿真模擬與實際樣件試驗的對比分析表明，本文闡述的基于Star CCM+展開的仿真方法是十分有效的。對于燈具霧氣的仿真分析與預測，不管是燈內氣體流動的穩態分析還是霧氣消散仿真的瞬態分析，都是為了探究燈內氣流走向，尋找阻礙氣流順暢流動的結構，優化這部分結構，使得更多的氣流從通風入口(一般在燈具靠里側靠底部的位置)更快速地抵達面罩區域，并沿著面罩內壁面流動直至從通風出口(一般在燈具靠外側靠上部的位置)排出。只要燈內外能形成穩定順暢的循環，無流速過低的死區，就可以避免含有水汽的氣流因為滯留局部形成霧氣；同時亦可以保障即便冬天或是高壓洗車環境下，車燈內的水汽遇到溫度低于其飽和溫度的面罩壁面凝結成霧層，也可通過開啟光源加熱內部氣體或是行車的加速對流，使得燈內外的氣流加速循環直至面罩殘留的霧氣消散掉。