基于CFD分析的某車型空調除霜試驗不合格的優化改進

李 偉

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230601）

目前汽車在國內的保有量逐漸增多，隨著人民生活水平的提高汽車市場的競爭也更加激烈化。空調性能是整車性能以及客戶感官評價的一個重要指標，而評價空調性能的一個重要參數就是除霜/除霧性能[1]。在冬天行車和陰雨天行車時，由于整車車內和車外的濕度、溫度不一致，會導致車輛玻璃上產生霧氣，嚴重的會結霜，車輛行駛過程中玻璃上產生的霧氣會影響駕駛員的視野，存在行車安全隱患，必須要花費最短的時間除去車窗玻璃上的霧氣或霜層。

1 問題現狀

某車型在試驗場做除霜試驗時發現，乘員側除霜速度較慢、效果差、影響駕駛、除霜不滿足技術要求、性能不合格。針對此問題，本文以某型汽車空調風道的三維模型為分析對象，利用ANSA& Fluent軟件進行計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）模擬分析，針對分析結果對風道進行優化，提升整車空調除霜性能[2]。

2 問題分析

通過試驗數據發現，10分鐘內A區除凈面積比例為100%，A'區除凈面積比例為98%，達到標準要求的10分鐘A區、A'區除凈面積比例大于等于80%的要求，如圖1所示；左側窗10分鐘內1區、2區除凈面積比例為100%，達到標準要求的10分鐘D區、E區除凈面積比例大于等于90%的要求，如圖2所示；右側窗10分鐘內1區、2區除凈面積比例為60%，未達到標準要求的10分鐘1區、2區除凈面積比例大于等于90%的要求，如圖3所示，該狀態除霜性能不合格。針對試驗不合格車輛的除霜風道數據做CFD分析，查看CFD分析結果是否與試驗結果一致，以便于研究整改方向。

圖1 前擋風玻璃除霜效果圖

圖2 左側窗除霜效果圖

圖3 右側窗除霜效果圖

2.1 建立模型

根據數模建立CFD分析模型。采用數模為空調主機、前除霜風道、左側除霜風道、右側除霜風道、前圍板、前擋風玻璃、左側窗玻璃、右側窗玻璃、儀表臺、車廂內飾和地板（參照GB 11556標準將前擋風玻璃劃分為A區、A'區和B區三個區域，其中B區包括A區和A'區，側窗玻璃上的除霜區域根據總布置提供的駕駛員視野范圍來進行確定）。

將風道表面生成非結構化三角形網格，單元大小約為 2 mm；模型內部空氣域生成非結構化Poly網格，長度約為10 mm。為了能夠更精確地模擬近壁面區域流體的流動情況，從模型壁面開始向內拉伸 3層棱柱形網格。其中單元總數約為530萬[3]，且網格連續、均勻、過渡平緩。

CFD分析輸入條件如表1—表3所示[4]。

表1 風口壓力

表3 暖芯

表2 蒸發器

2.2 標準要求

1.流量分配

前除霜風口的流量占 80%±6%；左側除霜風口的流量占 10%±3%，右側除霜風口的流量占10%±3%。

2.氣流吹拂速度

1）前除霜氣流吹拂速度。A區風速要大于等于2.5 m/s；A'區風速要大于等于2.0 m/s；B區風速要大于等于1.5 m/s。

2）側除霜氣流吹拂速度。駕駛側風速要大于等于1.5 m/s；乘員側風速要大于等于1.5 m/s。

2.3 計算CFD分析結果

2.3.1 計算流量分配結果

前除霜風道流量占總流量的86.3%，左側除霜風道流量占總流量的7.2%，右側除霜風道流量占總流量的 6.37%，其中中左前除霜風口風量為17%，中央前除霜風口風量為46.6%，中右前除霜風口風量為22.7%。不滿足設計目標。由各出風口的分風比可知，右側出風口的風量偏小，達不到10%±3%的目標值，這也是右側玻璃除霜效果不理想的原因。

2.3.2 風速分配

由圖4 可知前擋風玻璃上的A區平均風速為1.15 m/s；A'區平均風速為1.85 m/s；B區平均風速為1.66 m/s，由于前除霜風道中左出風口局部缺流（圖中標示區域），導致A區局部風速偏低。

由圖4—圖6風速云圖可知，前擋風玻璃及兩側側窗玻璃上各區的平均風速都較小，遠遠達不到2 m/s的風速要求，若想達到2 m/s的風速要求，需要對除霜風道的結構進行優化設計（視角方向：從車外向車內）。

圖4 前擋風玻璃風速云圖

圖6 右側窗玻璃風速云圖

2.3.3 流線圖

由圖7—圖9可知前除霜氣流撞擊前擋風玻璃后未能均勻散開；前除霜氣流中間部位存在局部混亂，并存在氣流干擾現象；副駕側除霜氣流與玻璃撞擊點偏低，氣流吹擊玻璃后擴散效果較均勻。

圖7 前擋風玻璃流線圖

圖9 副駕側窗流線圖

圖8 主駕側窗流線圖

2.4 改進方案

2.4.1 前除霜風道改進方案

由于前除霜風道中左出風口局部缺流，現對前除霜風道左右區域的導流板進行重新布置[5]，對中出風口附近的V板造型進行優化，向右側偏移8 mm，如圖10所示。

2.4.2 側除霜風道改進方案

由圖5可知，駕駛員通過左側除霜風道出風方向及左側窗上的落點方框看左后視鏡，左側除霜風道出風方向在左側窗上的落點靠近方框，駕駛員看左后視鏡的區域偏下，通過修改左側除霜風道的導風方向可以優化左除霜效果，修改后的數據如圖11所示。

圖5 左側窗玻璃風速云圖

圖11 左前除霜風道

由圖6可知，駕駛員通過右側除霜風道出風方向及右側窗上的落點上部方框看右后視鏡，駕駛員通過下部方框看右廣角視鏡，通過修改右側除霜風道的導風方向可以優化右除霜效果，修改后的數據如圖12所示。

3 方案驗證

3.1 CFD分析結果

前除霜風道流量占總流量的85.06%，左側除霜風道流量占總流量的7.57%，右側除霜風道流量占總流量的7.37%，流量分配滿足要求。

由圖13可知，A區平均風速為1.66 m/s；A'區平均風速為1.69 m/s；B區平均風速為1.73 m/s，整個前擋風玻璃平均風速為1.55 m/s，修改后前擋風玻璃風速分布均勻，效果理想。

圖13 前擋風玻璃風速云圖

由圖14、圖15可知，左側窗玻璃平均風速為1.2 m/s，右側窗玻璃平均風速為1.73 m/s，較整改前有很大的提升。

圖14 左側窗玻璃風速云圖

圖15 右側窗玻璃風速云圖

由圖16可知，前除霜氣流能撞擊擋風玻璃后能較好貼合玻璃；前除霜氣流主駕側局部干涉；前除霜氣流趨勢基本合理。

圖16 前擋風玻璃流線圖

由圖17、圖18可知，主駕側側除霜氣流撞擊點偏高；右側側除霜氣流較為理想但側窗上方局部氣流流速偏低。

圖17 左側側窗流線圖

圖18 右側側窗流線圖

3.2 環境倉驗證

對整改后狀態的風道進行除霧對比試驗，驗證整改后的風道空調除霧性能是否滿足標準要求，驗證效果如圖19—圖21所示。

圖19 前擋風玻璃除霜效果圖

圖20 左側窗除霜效果圖

圖21 右側窗除霜效果圖

前擋風玻璃除霧面積比例如表4所示。

表4 改進前/改進后除霜試驗對比

結果顯示，1）左側窗：整改狀態10 min內完全除盡，優于原狀態，不影響觀看后視鏡；2）右側窗：整改狀態10 min內完全除盡，優于原狀態，不影響觀看后視鏡。

4 總結

本文依托CFD分析對除霜風道的除霜效果進行優化設計，大大提升了前擋風玻璃及左右側除霜玻璃上可視區域的平均風速以及風速分布[6]，通過后面的試驗艙試驗也驗證了整改后的除霜效果滿足試驗要求，達到了預期的整改效果。