杜子學(xué)，葉雙平

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

汽車擋風(fēng)玻璃除霜性能數(shù)值模擬分析

杜子學(xué)，葉雙平

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+對(duì)某新開發(fā)汽車除霜風(fēng)道進(jìn)行數(shù)值模擬。通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算來預(yù)測(cè)汽車的除霜性能，對(duì)除霜效果進(jìn)行了探討，并進(jìn)行了試驗(yàn)。對(duì)比模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果總體比較接近，驗(yàn)證了CFD模擬的的可靠性，為汽車擋風(fēng)玻璃除霜效果模擬工程提供了參考。

計(jì)算流體力學(xué)；除霜；數(shù)值模擬；前風(fēng)擋玻璃

前言

汽車風(fēng)窗玻璃結(jié)霜起霧是汽車行駛過程中經(jīng)常遇到的問題，會(huì)嚴(yán)重影響駕駛員視野，從而對(duì)行車安全產(chǎn)生危害，因此預(yù)測(cè)汽車除霜除霧的性能是汽車設(shè)計(jì)開發(fā)階段一項(xiàng)重要工作。預(yù)測(cè)汽車擋風(fēng)玻璃的除霜性能通常有兩種方法：傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加試驗(yàn)驗(yàn)證方法和數(shù)值模擬分析。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加試驗(yàn)方法是在汽車開發(fā)后期整車研制出來后，按照國(guó)標(biāo)GB 11555-2009[1]試驗(yàn)方法對(duì)樣車進(jìn)行除霜性能試驗(yàn)，此時(shí)改變除霜風(fēng)道可能會(huì)涉及布置、內(nèi)飾甚至模具的修改，成本和代價(jià)很大。數(shù)值模擬分析是在新車開發(fā)的初始階段，用CFD方法預(yù)測(cè)除霜除霧的效果，如果事先能利用數(shù)值計(jì)算得到風(fēng)道內(nèi)的流場(chǎng)情況,將對(duì)提高除霜性能起到一定的指導(dǎo)作用, 減少反復(fù)試驗(yàn)造成的浪費(fèi)。這種基于CFD數(shù)值仿真技術(shù)的除霜風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能大幅度提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，并可克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)與不足。

本文通過國(guó)內(nèi)某知名汽車新車型的項(xiàng)目開發(fā)，在開發(fā)時(shí)期用CFD的方法來預(yù)測(cè)該車的除霜性能，

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和討論，通過試驗(yàn)對(duì)比分析該仿真分析方法的可靠性和精確性。

1、汽車除霜范圍及性能要求

1.1 汽車除霜范圍的確定

汽車前方視野主要是根據(jù)駕駛員視野確定的，GB 11555-2009[1]規(guī)定的理論除霜區(qū)域如下圖1、圖2：

1.2 汽車除霜要求

除霜性能作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制檢測(cè)的一項(xiàng)指標(biāo)，國(guó)標(biāo)GB 11555-2009[1]對(duì)汽車風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)性能有明確的規(guī)定，要求①試驗(yàn)開始后20min時(shí)，至少應(yīng)將A區(qū)的80%面積的霜除凈；②試驗(yàn)開始后25min時(shí)。至少應(yīng)將A'區(qū)的80%面積的霜除凈；③試驗(yàn)開始后40min時(shí)，至少應(yīng)將B區(qū)的95%面積的霜除凈。

在歷史教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，需要重視對(duì)學(xué)生歷史思維的構(gòu)建，教師在進(jìn)行歷史教學(xué)的過程中，首先需要改變傳統(tǒng)教學(xué)模式中的填鴨式教學(xué)，傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生機(jī)械式的學(xué)習(xí)方式與接受能力，對(duì)歷史事件缺乏自身的見解與思維。因此，教師需要改進(jìn)教育教學(xué)方式，在創(chuàng)新教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上，教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行適時(shí)正確的引導(dǎo)，帶領(lǐng)學(xué)生以客觀的思維進(jìn)行歷史事件和歷史人物的分析。

2、車室內(nèi)空氣流動(dòng)控制方程和數(shù)值方法

除霜風(fēng)道和車室的壁面是非剪切邊界，考慮到湍流的影響，采用Realizable k-ε模型。Realizable k-ε模型中引入了轉(zhuǎn)動(dòng)速率張量的有關(guān)內(nèi)容，使之能夠很好的模擬旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、自由流及邊界層流動(dòng)。關(guān)于k和ε的計(jì)算式如下：

式中，k為湍流動(dòng)能；ε為湍流耗散率；μ為分子粘性系數(shù)，μt為湍流粘性系數(shù)，

3、模型的建立和計(jì)算方法

3.1 物理模型和網(wǎng)格劃分

根據(jù)整車除霜區(qū)域進(jìn)行除霜系統(tǒng)封閉腔體的幾何搭建（圖3），包括車窗玻璃、內(nèi)飾件、座椅和除霜風(fēng)道等。同時(shí)在不影響計(jì)算精度的前提下對(duì)模型做了一些簡(jiǎn)化處理，除去不必要的信息，對(duì)一些縫隙進(jìn)行了修理。但是關(guān)鍵部件如擾流板、風(fēng)道內(nèi)壁未作任何簡(jiǎn)化。

在劃分體網(wǎng)格時(shí)采用多出局部加密，用以增加關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量提高計(jì)算結(jié)果精確度。為了防止氣流回流，在入口和出口處都采取了法向拉伸，得到求解域的體網(wǎng)格數(shù)量為1500萬(wàn)，計(jì)算域體網(wǎng)格模型如圖5：

3.2 邊界條件和計(jì)算設(shè)置

計(jì)算中假定空氣為不可壓縮氣體，湍流模型為Realizable K-epsilon模型．空間離散采用二階迎風(fēng)差分格式[2]，迭代方式選用Simple算法。計(jì)算邊界條件如下：入口空氣為270m3/h；出口邊界為壓力出口，背壓為0Pa；其他邊界為壁面邊界。

4、計(jì)算結(jié)果和分析

由于瞬態(tài)計(jì)算需要花費(fèi)大量的時(shí)間，工程上已將GB 11555-2009標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)的速度標(biāo)準(zhǔn)，即A區(qū)、A'區(qū)近壁氣體流速在2m/s以上的面積超過80%以上，B區(qū)近壁氣體流速在1.5m/s以上的面積超過80%以上，即認(rèn)為可以滿足國(guó)標(biāo)要求。因此，本文將先從穩(wěn)態(tài)計(jì)算來分析前擋風(fēng)玻璃的除霜效果。

流量的分配與除霜性能密切相關(guān)，其為關(guān)鍵的考查點(diǎn)之一。通過流量統(tǒng)計(jì)獲得 風(fēng)道各出口流量分配值，中間約為79.6%，左右兩側(cè)分別為9.9%、10.5%。對(duì)比項(xiàng)目開發(fā)的目標(biāo)值（中間為80±2%，兩側(cè)為l0±2%），各個(gè)出口流量分配比例合理，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1 前擋風(fēng)玻璃的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析

從圖6可以看出從風(fēng)管中流出的氣流沿左中右三個(gè)出口流入乘員艙，在前后座椅的阻擋下產(chǎn)生回流，并最終在擱物板出口處流出。由圖7可知從風(fēng)管中間出口流出的氣流沿前風(fēng)擋較均勻的延展，無(wú)明顯的缺流區(qū)域，預(yù)測(cè)除霜效果良好。

由圖8、圖9的速度分布可以看出A區(qū)和A'基本對(duì)稱，這與風(fēng)道對(duì)稱相關(guān)，左右氣流分別成扇形

散開。由于氣流擊點(diǎn)位置合適，速度分布形狀比較合理，除霜區(qū)域內(nèi)基本不存在死區(qū)。A區(qū)和A'及B區(qū)大部分都有合理的氣流速度。其中A區(qū)近壁氣體流速在2m/s以上的面積比列為86.5%，A'區(qū)近壁氣體流速在2m/s以上的面積比列為93.2%，B區(qū)近壁氣體流速在1.5m/s以上的面積比列為82.5%，從以上分析可知除霜性能滿足法規(guī)要求。

4.2 側(cè)窗玻璃的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析

側(cè)窗玻璃除霜沒有法規(guī)要求．但是會(huì)影響到用戶對(duì)后視鏡的觀察。在汽車玻璃出現(xiàn)霜霧并且在執(zhí)行減速停車或通過彎道或超越前方車輛，我們希望能夠從內(nèi)外后視鏡、特別是外后視鏡中觀察到安全的行車路況，因此對(duì)前側(cè)玻璃的除霜性能分析很有必要。

由圖10可知駕駛側(cè)及副駕駛側(cè)風(fēng)窗氣流近壁速度在2m/s以上的區(qū)域已完全覆蓋左右后視鏡投影區(qū)，雖然駕駛側(cè)氣流擊點(diǎn)不在左視鏡投影區(qū)，但它在投影區(qū)前方，這樣有利于氣流向投影區(qū)流動(dòng)。因此該款車的側(cè)除霜性能能達(dá)到汽車安全行駛要。

5、試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)GB 11556-1994的除霜試驗(yàn)方法,在環(huán)境艙中進(jìn)行一l8℃的除霜試驗(yàn)。首先開始除霜的區(qū)域在擋風(fēng)玻璃靠近中間出口處，隨著時(shí)間的增加，除霜區(qū)域慢慢開始擴(kuò)大，通過CFD模擬的除霜穩(wěn)態(tài)效果和試驗(yàn)結(jié)果比較可知，數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果總體比較接近。

6、結(jié)論

文中在某新車型開發(fā)前期采用CFD的方法對(duì)擋風(fēng)玻璃的除霜性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了本文采用的數(shù)值模擬方法，從而表明該車型有較好的除霜效果，滿足國(guó)標(biāo)要求。

(1) 模型的網(wǎng)格密度，網(wǎng)格類型，網(wǎng)格質(zhì)量，會(huì)對(duì)計(jì)算的速度和精度產(chǎn)生影響，文中采用局部網(wǎng)格加密來提高計(jì)算精度和收斂速度。

（2）數(shù)值模擬計(jì)算得到風(fēng)道內(nèi)的流場(chǎng)情況對(duì)改善汽車的除霜性能起到一定的指導(dǎo)作用，減少反復(fù)試驗(yàn)造成的浪費(fèi)。

（3）工程應(yīng)用中，為使除霜性能的數(shù)值模擬更可能真實(shí)，應(yīng)該考慮有乘員的情況對(duì)除霜的影響。

[1] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)．GB11556-94汽車風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能要求及試驗(yàn)方法．

[2] 張英朝，汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)，北京，北京大學(xué)出版社，2011.

Numerical Simulation Analysis on Defrost Performance of Automotive Windshield

Du Zixue, Ye Shuangping
(Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074)

A new car defrosting duct is numerically simulated by using the computational fluid dynamics software STAR - CCM +．Defrosting performance of car is predicated by steady state calculation.So the defrosting effects are investigated and tests are conducted．Experiment results are similar to the simulation results. Then the reliability of numerical simulation is verified , providing reference for the engineering application of vehicle defrosting.

Computational fluid dynamics(CFD); defrosting duct; numerically simulation; windshield

U463.835

A

1671-7988(2014)03-36-04

杜子學(xué)，博士，重慶交通大學(xué)教授，研究領(lǐng)域?yàn)楝F(xiàn)代車輛（汽車）設(shè)計(jì)方法與理論和載運(yùn)工具運(yùn)行品質(zhì)、交通安全。