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汽车空调除霜性能的CFD模拟

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1 前言

  冬天气温下降到零度以后,停在户外的汽车玻璃上会结上一层冰霜,特别是在我国北方地区,结在汽车玻璃上的霜冻会严重影响驾驶员的视野,对行车安全产生危害。因此,有效的除霜系统是十分必要的,它应该尽可能快地除去车窗玻璃上的霜层。为此SAE发展了一套工业标准,包括标准的试验过程和汽车前风挡除霜系统的性能指标。不同的国家和不同的汽车制造商也有自己对此的标准,在国内GB11555-94对汽车的除霜系统性能做出了严格的规定[2] 。

        本文主要介绍了在某车型的除霜系统的开发过程中,利用 CFD 软件 STAR-CD 对其进行了稳态情形下的全热除霜模式下的 CFD 分析,得出了除霜风道各出风口的风量分配,风道和乘客舱内的速度矢量和压力分布,特别是前挡风玻璃和前侧窗上的速度矢量图。根据 CFD 分析结果,提出风道设计的改进建议,并根据修改方案修改除霜风道数模,最终得到了满足设计要求的除霜系统。

2.计算模型的建立及方案确定

2.1 几何模型建立 

   根据某车型的三维 CAD 实体模型,分别选择 HVAC、风道和车身的内表面生成模拟空间。考虑到汽车产品的复杂性,为了节约时间和减少网格数量,在不影响模拟精度的前提下,需要对车厢内表面做一些简化处理。但对模拟的关键部件,如 HVAC、风道等的细部结构则应尽量保留,如图 1 所示。

   由于 CFD 网格划分需要在一个封闭的空间内进行,而 CAD 模型之间有一些缝隙和漏洞,如果直接在 CAD 软件中进行模型的前处理,需要花费大量的时间和精力,因此,我们采用先在 Hypermesh 中划分三角形的表面网格,如图 2 所示,这样表面的连接和修补相对容易,然后输出为 Patran 格式,再导入到 ICEM-CFD 中生成体网格。根据划分网格的重要性,不同的表面在 Hypermesh 中分成不同的组,导入到 ICEM-CFD 后会分成不同的 Family。

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2.2 网格生成 

   在本次分析中,采用 ICEM-CFD 划分 CFD 体积网格,如图 3 所示。由于几何造型的复杂性,为精确模拟风道等细节,决定采用四面体网格。为减少网格生成所花时间,对于未改变几何的部分采用网格继承方法,不做修改。由于风道系统是优化重点,所以把超过50%的单元数放在风道内部,以强化对风道流动细节的了解。另外在前风挡、前侧窗、除霜隔栅和人体表面,网格也需要细化。

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2.3 边界条件  

   本分析采用以 HVAC 的进口为入口,为 INLET 边界条件。出口条件设在经过处理的后挡风下延的出风位置处,为 Pressure 压力边界条件,并在原有出口表面上拉伸出一条通道,以防止出口边界上有回流产生。

2.4 计算过程

   算法:SIMPLE 算法;  

   格式:二阶迎风格式(MARS);  

   最大残差:0.001;  

   求解方法:AMG;  

   在本设计中采用高雷诺数k-ε模型,它经证明适用于模拟汽车内外流场这种高雷诺数的情况[1] 。  

   由以上可知,本次 CFD 分析过程主要包括建立数学物理模型、数值算法求解及结果可视化三部分,如图 4 所示。

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3.计算结果分析 

  经过分析,我们得到了除霜风道各出风口的流量分配以及风道和驾驶室内的压力和速度矢量分布等,并针对风量分配的大小及部分区域存在涡流的情况,对风道入口大小及风道形状进行了更改。本次设计前后进行了四轮更改和分析,最后得到了比较满意的结果。下面主要以前挡风玻璃和前侧窗上的速度矢量分布的变化介绍了本次设计的优化更改过程。

3.1 第一轮分析结果

  经过第一轮分析,存在的问题是:侧除霜风口主流动区与侧窗的交点偏后偏上,影响驾驶员观察外后视镜的视线;另外,中央挡风玻璃上的除霜面积偏小偏上,如图 5 所示。我们第一轮首先集中精力调整侧除霜,具体方案是:调整侧出风口格栅角度,使之由原来的横向改成纵向放置,片数改为两片,方向朝侧窗,以使侧除霜的气流出口相对于侧窗而言更靠前和靠下。

3.2 第二轮分析结果

  在这轮分析中,侧除霜吹点前后方向的位置点已基本符合要求,但上下方向位置略微偏低;另外前风挡驾驶员和副驾驶员侧头部附近存在回流区,如图 6 所示。办法是对除霜格栅角度进行微调,使侧除霜气流略向上移;调整中央除霜格栅的角度使两侧各自的气流以扇形展开,从而在前风挡形成覆盖 AB 区的速度均匀的流场;另外将前风挡格栅的流通面积加大,所有封闭栅段全部打开,增大流通面积。

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3.3 第三轮分析结果

  第三轮分析后,侧除霜基本满足要求,达到设计目标。3米速度暖风范围可以覆盖前窗 AB 区的绝大部分,前风挡上可以清晰分辨气流撞击区位置和左右流动分界线,如图 7 所示。主要问题是在挡风玻璃上左右侧 A 柱附近存在小尺度回流区,但直观判断不影响 AB 区初霜效果;另外在前窗中部车顶附近还有小尺度回流区,具体办法是进一步调整中央除霜格栅角度,使气流进一步向两侧散开;另外由于格栅全部放开后中央除霜流量比例偏大,建议中央除霜条左右各堵塞一个孔。

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3.3 第四轮分析结果 

  在第四轮分析中,可以看到在 B 区上部中央部分存在有部分低速区但是速度不小于 2.0m/s,3 米速度暖风范围可以覆盖 A 区的全部和 B 区 97%的区域,远大于技术规范中的 2 米风速的要求,如图 8 所示,因此可以认为满足设计要求。  

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4 结论

  (1)应用 CFD 方法对某车型的除霜性能进行了模拟,对除霜风道进行了优化设计,计算结果表明,各种速度矢量、压力分布等情况均符合正常规律,能够满足设计要求。  

  (2)应用 CFD 方法在产品开发阶段,可以大大缩短开发周期,节省开发费用,分析结果对于设计开发人员优化产品设计具有重要参考价值。 

  (3)分析结果还需要进行实验验证。


参考文献: 

[1] STAR-CD 帮助文档.

[2] 汽车除霜性能CFD分析.中国仿真科技论坛电子期刊 No.8. 

[3] 邹治,刘栋.华晨 M3 车型 CFD 分析阶段总结报告. 

[4] 陶文铨.数值传热学.西安:西安交通大学出版社.


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