谷正氣，湯柱良，陳 陣，黃泰明

(1. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412007)

基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的風(fēng)擋除霜新方法的數(shù)值模擬

谷正氣1,2，湯柱良1?，陳 陣1，黃泰明1

(1. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412007)

運(yùn)用CFD方法對(duì)某車型擋風(fēng)玻璃除霜過程數(shù)值模擬，針對(duì)現(xiàn)有國(guó)標(biāo)規(guī)定分區(qū)中A區(qū)除霜過慢的問題，提出了一種除霜新方法，在風(fēng)口處設(shè)計(jì)能繞自身軸線回轉(zhuǎn)的導(dǎo)流葉片，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，計(jì)算除霜瞬態(tài)過程．結(jié)果表明：葉片初始偏轉(zhuǎn)角度為42°，A區(qū)的除霜效果最好，努賽爾數(shù)提高13.7%，270 s時(shí)刻，令葉片以角速度ω=0.073 3rad/s偏轉(zhuǎn)，280s時(shí)刻回轉(zhuǎn)至初始位置.A區(qū)霜層除去80%面積所需時(shí)間與原模型相比縮短60s，在保證除霜完全的基礎(chǔ)上優(yōu)先除去A區(qū)霜層，實(shí)現(xiàn)駕駛員視野的快速清晰.

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；除霜；動(dòng)網(wǎng)格

汽車風(fēng)窗玻璃結(jié)霜起霧是人們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到且需要解決的問題，尤其是風(fēng)擋關(guān)鍵視野區(qū)域除霜過慢，導(dǎo)致駕駛員視野不能快速清晰，造成安全隱患.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車玻璃除霜除霧性能進(jìn)行了廣泛的研究，文獻(xiàn)[1]使用STAR-CD實(shí)現(xiàn)了對(duì)前擋風(fēng)玻璃除霜除霧效果的數(shù)值模擬.文獻(xiàn)[2]將數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行定性對(duì)比，驗(yàn)證了CFD方法的準(zhǔn)確性.文獻(xiàn)[3-4]采用數(shù)值仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，計(jì)算出風(fēng)口風(fēng)量分配，得出玻璃附近的流場(chǎng)分布，對(duì)除霜風(fēng)管和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使得除霜效果滿足所需要求.文獻(xiàn)[5-6]研究了客車風(fēng)擋的除霜效果，對(duì)吹風(fēng)管道和送風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，針對(duì)空調(diào)熱源不足，采用電阻絲加熱方式加快除霜.文獻(xiàn)[7]分析了氣流從矩形出風(fēng)口沖擊固定傾斜壁面的流體熱參數(shù)，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比.文獻(xiàn)[8]提出了一種除霜新方法，在風(fēng)擋內(nèi)部噴涂一層透明的材料，通過吸收太陽能解化霜層.文獻(xiàn)[9]分析了除霜除霧試驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝，并采用圖像分析方法對(duì)除霜效果進(jìn)行評(píng)價(jià).前人所做的工作大多是對(duì)除霜管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化或者在玻璃處提供額外熱源以改善除霜效果，而從空氣動(dòng)力學(xué)角度，專門針對(duì)提高關(guān)鍵可視區(qū)域除霜效果的研究較少.

傳統(tǒng)的除霜噴嘴位于風(fēng)擋玻璃下部，暖氣流自下而上擴(kuò)散開，霜霧也從下邊緣逐漸解化，對(duì)駕駛員視野影響較大位置的霜霧解化較慢，基于此，本文應(yīng)用V點(diǎn)確定法，將關(guān)鍵視野區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，并提出了一種新的風(fēng)擋除霜方法：設(shè)計(jì)一出風(fēng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，使暖氣流的方向隨著時(shí)間變化，首先除去關(guān)鍵視野區(qū)域的霜霧，之后導(dǎo)向機(jī)構(gòu)回復(fù)至初始位置，融化其他位置的霜層.

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

乘員艙模型如圖1所示，由于其內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用四面體網(wǎng)格離散，并對(duì)玻璃附近網(wǎng)格進(jìn)行加密，玻璃厚度4 mm，霜層厚度0.5 mm，玻璃和霜層采用棱柱體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為130萬.

圖1 乘員艙模型

邊界條件：入口設(shè)置為速度入口，流量為380 m3/h，出口為壓力出口，其余為靜止壁面，空氣與玻璃、玻璃與霜層之間均為耦合熱邊界.計(jì)算過程中進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

1)將霜層視作一種流體，相變過程隨溫度變化，用液相率σ表征其融化狀態(tài)，

(1)

其中TS為固相溫度;TL為液相溫度;σ=1說明解化完成.

2)除霜過程只考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，忽略了輻射對(duì)除霜的影響.

3)霜層在解化過程中僅發(fā)生相變，忽略冰霜融化后的流動(dòng).

1.2 湍流模型

不同的湍流模型對(duì)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生顯著影響[10].RNGk-ε模型主要通過在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的黏度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，將小尺度運(yùn)動(dòng)從控制方程中移除.在對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行雷諾時(shí)均化處理時(shí)，引進(jìn)了雷諾應(yīng)力項(xiàng)uiuj，為使方程組封閉，必須對(duì)雷諾應(yīng)力做出某種假定，在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雷諾應(yīng)力方程如下[11]：

(2)

(3)式中ρ是流體密度;k為湍流動(dòng)能;ε為湍流動(dòng)能耗散率;Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)：

(4)

湍流有效粘性系數(shù)μeff：

(5)

式中μt為湍動(dòng)粘度;μ為動(dòng)力粘度.

(6)

(7)

(8)

式中η是Kolmogorov長(zhǎng)度，表示最小漩渦的特征量;Eij是反映主流的時(shí)均應(yīng)變率;αk，αε，Cμ，C1ε，C2ε，η0，β為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取以下值：αk=αe=1.39，Cμ=0.0845，C1ε=1.42，C2ε=1.68，η0=4.377，β=0.012．

這種湍流模型通過修正湍流黏度，考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況，可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較強(qiáng)的流動(dòng)，因此它比較適合乘員艙內(nèi)部流場(chǎng)的仿真計(jì)算.

1.3 數(shù)值計(jì)算方法的試驗(yàn)驗(yàn)證

除霜試驗(yàn)需要環(huán)模風(fēng)洞，成本較高，因此采用類似模型來驗(yàn)證計(jì)算方法的合理性，文獻(xiàn)[12]采用某轎車風(fēng)擋及HVAC模塊，玻璃傾角39°，厚6mm，導(dǎo)熱率1.4W，在擋風(fēng)玻璃外表面安裝一塊功率為368W/m2的矩形熱板(0.304 8m×0.457 2m)，氣流從送風(fēng)口吹向擋風(fēng)玻璃，用T型熱電偶測(cè)得送風(fēng)氣流溫度為25.5 ℃，最后采用液晶溫度傳感器測(cè)量熱板位置處玻璃內(nèi)壁的溫度分布.為了驗(yàn)證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性，將仿真獲得的結(jié)果與SubrataRoy的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，圖2為玻璃內(nèi)表面Z=0.633 3 m位置點(diǎn)的試驗(yàn)與仿真得出的溫度值，試驗(yàn)值與仿真值較吻合，溫差在5°以內(nèi).圖3為熱板處玻璃內(nèi)表面溫度分布云圖，可以看出，試驗(yàn)與仿真獲得的溫度分布趨勢(shì)非常相近.由計(jì)算結(jié)果可知，該數(shù)值計(jì)算方法可以用來模擬氣流沖擊傾斜玻璃面的流動(dòng)和傳熱.

位置/m

圖3 玻璃內(nèi)壁溫度分布試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比

2 初始模型

2.1 關(guān)鍵可視區(qū)域劃分

目前，關(guān)鍵可視區(qū)域的確定主要方法有2種，一種是SAE提出的眼橢球法；另一種是EEC標(biāo)準(zhǔn)中提出的V點(diǎn)確定法[13].V點(diǎn)即表征駕駛員眼睛位置的點(diǎn)，它與通過駕駛員乘坐位置中心線的縱向鉛垂平面、R點(diǎn)(座椅基準(zhǔn)點(diǎn))及設(shè)計(jì)座椅靠背角有關(guān).此點(diǎn)用于檢查汽車視野是否符合要求.通常用兩個(gè)不同的點(diǎn)V1,V2點(diǎn)來表示V點(diǎn)的不同位置.V點(diǎn)相對(duì)R點(diǎn)位置，由三維坐標(biāo)系的X，Y，Z坐標(biāo)確定，當(dāng)座椅靠背角25°時(shí)的基本坐標(biāo)如表1所示.

表1 V點(diǎn)位置

GB 11555-2009[14]沿用歐洲EEC標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)人體的視野范圍，采用V點(diǎn)確定關(guān)鍵可視區(qū)域，將風(fēng)擋玻璃分為A,A’和B區(qū)，對(duì)其除霜除霧時(shí)間做出規(guī)定.其中A和A’區(qū)呈對(duì)稱分布，分別為駕駛員與副駕駛正對(duì)視野區(qū)域，實(shí)際生活中，人們首先關(guān)注的是對(duì)視野影響較大的位置并希望其霜霧能夠快速消失，因此將較重要的A區(qū)分成如圖4所示的8個(gè)域，命名為A1～A8，其中A1和A8分別為從視點(diǎn)V1仰視3°和V2俯視1°區(qū)域，A2～A7為駕駛員從視點(diǎn)V1,V2平視區(qū)域.

圖4 玻璃分區(qū)示意圖

同時(shí)為更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)霜層的解化過程，將與A,B區(qū)相對(duì)應(yīng)位置的霜層分為3部分：命名為Ia,Ib,Ic，分別監(jiān)測(cè)其相變過程，各部分霜層之間以及霜層與玻璃之間采用耦合熱邊界.

2.2 初始模型除霜效果

觀察不同時(shí)刻的除霜效果，如圖5所示，霜層最先開始解化的區(qū)域位于B區(qū)的下邊緣，此處為暖氣流沖擊區(qū)域，根據(jù)射流沖擊傳熱機(jī)理，該處的傳熱傳質(zhì)得到強(qiáng)化，傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于其他位置，且氣流溫度較高，因而除霜最先完成；隨著時(shí)間的推移清晰的區(qū)域由下往上逐步擴(kuò)展，霜層從120 s時(shí)刻開始解化，而到320 s左右A區(qū)依然沒有完全清晰，這種由下向上的除霜模式，導(dǎo)致司乘人員視野區(qū)域的霜層融化較慢，關(guān)鍵視野區(qū)域不能快速清晰，效果不甚理想.

(a)120 s

(b)200 s

(c)280 s

(d)320 s

為進(jìn)一步說明造成這種現(xiàn)象的原因，觀察風(fēng)擋內(nèi)部流場(chǎng)，圖6為駕駛室縱截面速度圖，可以看出，出風(fēng)口位于風(fēng)擋前端，暖氣流從風(fēng)口流出后沖擊玻璃壁面，然后向上發(fā)散，均勻覆蓋玻璃內(nèi)壁，這樣的設(shè)計(jì)避免了吹風(fēng)死角，保證了風(fēng)擋霜霧解化的徹底性，但也導(dǎo)致A區(qū)除霜過緩，駕駛員視野不能快速清晰，行車過程中可能造成危險(xiǎn)，因此下文在噴口處設(shè)計(jì)了出風(fēng)導(dǎo)流裝置，使暖氣流首先流向A區(qū)，將A區(qū)大部分霜霧解化后，調(diào)整氣流方向，再除去其它位置，保證關(guān)鍵視野區(qū)域的霜霧快速消失.

3 改進(jìn)模型

3.1 基本原理

為調(diào)整暖氣流流向，在噴嘴處添加如圖7所示的導(dǎo)向葉片P1,P2，使得暖氣流直接流向A區(qū)，這樣可以明顯改善A區(qū)的除霜效果，但因此也會(huì)導(dǎo)致玻璃下部霜霧難于解化，甚至形成吹風(fēng)死角，因此將該葉片設(shè)計(jì)成可繞自身軸向旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)裝置，待A區(qū)霜霧基本除盡后，改變?nèi)~片偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)氣流方向的調(diào)整，基本原理為：初始時(shí)間段內(nèi)，導(dǎo)向片偏轉(zhuǎn)角度使氣流吹向A區(qū)，待其霜層解化后，葉片回復(fù)至初始位置，之后葉片保持靜止，即A區(qū)霜層解化后，葉片開始運(yùn)動(dòng)，公式表示如下：

式中t1為A區(qū)除霜完成時(shí)刻;t2為葉片偏轉(zhuǎn)后時(shí)刻;θ0為初始偏轉(zhuǎn)角度;ω為葉片偏轉(zhuǎn)角速度.

圖6 送風(fēng)口截面速度圖

圖7 導(dǎo)流葉片幾何模型

葉片沿軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)采用動(dòng)網(wǎng)格方法，F(xiàn)luent中具有3種動(dòng)網(wǎng)格模型：彈簧近似光滑模型、動(dòng)態(tài)分層模型和局部重劃模型.動(dòng)態(tài)分層模型僅適用于四邊形和六面體網(wǎng)格，因此采用彈簧近似光滑和局部重劃模型，將導(dǎo)流葉片定義為rigidbody，使之按給定的旋轉(zhuǎn)角速度繞自身中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)導(dǎo)流片附近的網(wǎng)格變形及重新劃分，同時(shí)計(jì)算流動(dòng)方程和能量方程.

3.2 初始角度選擇

葉片偏轉(zhuǎn)角θ決定了暖氣流的分布，進(jìn)而影響除霜效果，為使得A區(qū)除霜效果最佳，計(jì)算0～50°范圍內(nèi)10組偏轉(zhuǎn)角下A區(qū)的努賽爾數(shù)Nu，用最小二乘法擬合，得到A1～A8區(qū)的Nu隨θ變化曲線，可知當(dāng)葉片偏轉(zhuǎn)角θ在42°左右時(shí)Nu達(dá)到最大，因此θ0選取42°.

偏轉(zhuǎn)角/(°)

圖9為添加導(dǎo)流葉片前后Nu對(duì)比，A2,A3,A5,A6,A8的Nu增大10%以上，A6最大為4 055，相比原模型提高41.4%，A1,A4,A7的Nu變化較小，A區(qū)域的總的Nu比原模型提高13.7%.

A區(qū)域

3.3 時(shí)間確定

當(dāng)θ0=42°時(shí)，霜層液相率隨時(shí)間變化如圖10所示，t1=270 s時(shí)刻，A區(qū)霜層液相率達(dá)到0.8，霜層融化80%，基本清晰，B區(qū)和C區(qū)霜層融化55.5%,25.3%，為使葉片迅速恢復(fù)至垂直位置，除去B,C區(qū)霜層，令葉片以角速度ω=0.073 3rad/s回轉(zhuǎn)，加載動(dòng)網(wǎng)格模型.t2=280 s時(shí)刻，葉片回轉(zhuǎn)至θ=0°，網(wǎng)格停止運(yùn)動(dòng)，為保證計(jì)算精度提高效率，在不同時(shí)間段內(nèi)選用不同時(shí)間步長(zhǎng)，網(wǎng)格變形過程中的時(shí)間步長(zhǎng)為0.1s，其余為1s，最大迭代次數(shù)50次.

3.4 瞬態(tài)流場(chǎng)分析

風(fēng)擋內(nèi)表面的流場(chǎng)分布隨葉片轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，由圖11可知，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)前，速度較大的區(qū)域集中在A區(qū)，使該位置的霜層能快速解化，隨著時(shí)間推移，逐漸向下移動(dòng)至B區(qū)域，280s時(shí)刻停止.

時(shí)間/s

(a)270 s

(b)272.5 s

(c)277.5 s

(d)280 s

導(dǎo)流葉片在偏轉(zhuǎn)過程中受到氣流沖擊，需要克服轉(zhuǎn)矩，圖12為導(dǎo)流葉片在縱向截面處的壓力分布云圖，可以看出葉片在Z方向具有較大的壓力梯度，在來流方向P2所受到的壓力大于P1，葉片背部存在明顯的負(fù)壓區(qū).

圖12 送風(fēng)口截面壓力分布

圖13為葉片偏轉(zhuǎn)過程中由于氣流沖擊所受到的力矩，可以看出，葉片所受力矩均隨時(shí)間變小，P1的變化率呈先大后小趨勢(shì)，P2所受力矩為線性變化，這是由于流向P1的氣流部分被P2阻滯，所受力矩不僅與自身偏轉(zhuǎn)角度有關(guān)還受到P2背部負(fù)壓區(qū)的影響，而P2所受力矩僅與偏轉(zhuǎn)角度有關(guān).

時(shí)間/s

3.5 改進(jìn)模型除霜效果

通過觀察除霜瞬態(tài)過程可以得出霜層的解化趨勢(shì)，圖14為改進(jìn)后的除霜瞬態(tài)過程，A區(qū)霜層最先開始融化，并逐步向四周擴(kuò)展，在280 s時(shí)A1～A8區(qū)已部分或完全清晰，A2,A3,A5,A6的霜層最先解化完成，形成一大片完整的視野區(qū)域，同時(shí)刻原模型僅有一小部分霜層解化.

(a)120 s

(b)200 s

(c)280 s

(d)320 s

(e)800 s

圖15為改進(jìn)前后的除霜瞬態(tài)過程中Ia,Ib,Ic的液相率隨時(shí)間變化趨勢(shì)，由圖可知，改進(jìn)后Ia的液相率達(dá)到0.8所需時(shí)間比原模型縮短60 s，保證了關(guān)鍵視野區(qū)域的霜層能夠迅速解化.

時(shí)間/s

4 結(jié) 論

本文針對(duì)風(fēng)擋關(guān)鍵視野區(qū)域除霜過慢的問題，提出了一種新型方案，在風(fēng)口位置設(shè)計(jì)了偏轉(zhuǎn)角度能隨時(shí)間變化的導(dǎo)向葉片，采用CFD方法，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，驗(yàn)證了該方案理論上的可行性，具體結(jié)論如下：

1)與原模型相比，添加導(dǎo)向葉片后，且葉片偏轉(zhuǎn)角度為42°時(shí)，A區(qū)的努賽爾數(shù)提高13.7%.

2)0到270 s內(nèi)，葉片偏轉(zhuǎn)角度為42°，270 s到280 s內(nèi)，葉片以角速度ω=0.073 3rad/s回轉(zhuǎn)，最終回復(fù)至θ=0°，在此過程中，A區(qū)除霜80%所需時(shí)間與原模型相比減少1min，在玻璃外表面布滿霜層的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了駕駛員關(guān)鍵視野區(qū)域的快速清晰.

3)將動(dòng)網(wǎng)格方法運(yùn)用到汽車內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部邊界連續(xù)變化，使除霜?dú)饬魇紫攘飨驅(qū)︸{駛員視野影響較大的A區(qū)，提高了A區(qū)除霜效率的同時(shí)避免造成吹風(fēng)死角.

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[14]GB11555-2009 汽車風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能要求及試驗(yàn)[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

GB11555-2009 Motor vehicles-windshield demisting and defrosting systems-performance requirements and test methods[S]. Beijing: China Zhijian Publishing House, 2009. (In Chinese)

Numerical Simulation of a New Method of Windshield Defrost by Dynamic Mesh

GU Zheng-qi1, 2, TANG Zhu-liang1?, CHEN Zhen1, HUANG Tai-ming1

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body， Hunan Univ, Changsha，Hunan 410082，China; 2. Hunan Univ of Technology, Zhuzhou，Hunan 412007,China)

CFD (computation fluid dynamics) was applied to simulate the vehicle windshield defrosting process. To solve the problem of slow defrosting in area A, a new method was proposed. Four defroster grilles were installed at airflow vents, which can rotate around their center axis. Combined with dynamic mesh, the transient defrosting process was calculated. The results show that, when grilles are deflected to 42 degrees, the Nusselt number of area A improves by 13.7%, making the grilles rotate at 0.0733 rad/s, and the grilles are back to the original position at 280s. Compared with the original model, the time required to defrost area A decreases by 60s. The frost covering area A is removed preferentially, which ensures that the driver's field of vision is clear and quick.

computational fluid dynamics; defrost; dynamic mesh

1674-2974(2015)02-0001-07

2014-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975083),National Natural Science Foundation of China(50975083)；交通運(yùn)輸部新世紀(jì)十百千人才培養(yǎng)項(xiàng)目(20120222)；“中國(guó)高水平汽車自主創(chuàng)新能力建設(shè)”項(xiàng)目

谷正氣(1963-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，湖南大學(xué)教授，博士?通訊聯(lián)系人，E-mail:tzliang2007@163.com

U461.1

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