葉勤，周家花，梁軍，李福龍

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北武漢430058）

汽車的除霜除霧性能是保證汽車行車安全的重要性能之一，空調(diào)和風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致除霜除霧性能下降。設(shè)計(jì)過程中采用CFD分析指導(dǎo)風(fēng)道設(shè)計(jì)改善，在不提升空調(diào)功率的前提下利用有限的布置空間充分利用風(fēng)道、格柵的導(dǎo)向作用，滿足法規(guī)要求的除霜性能。

1 除霜模型

為了能夠準(zhǔn)確模擬除霜過程，對(duì)3D模型（圖1）細(xì)節(jié)適當(dāng)優(yōu)化，充分考慮對(duì)結(jié)果有影響的部件和細(xì)節(jié)，包括前風(fēng)窗玻璃、空調(diào)、除霜風(fēng)道、儀表板等；數(shù)學(xué)模型選取目前較廣泛采用的RNG κ-ε，控制方程的表達(dá)式如下：

圖1 除霜除霧簡(jiǎn)化模型

式中：t為時(shí)間，s；κ為湍動(dòng)能，N·m；ε為動(dòng)能耗散率；ρ為空氣密度，kg·m-3；μi為湍動(dòng)粘度，（N·s）·m-2；ακ,αε為與κ和ε 對(duì)應(yīng)的Prandt1 數(shù)，ακ=αε=1.39；Gκ為由平均速度梯度引起的κ的產(chǎn)生項(xiàng)；μeff為修正湍動(dòng)粘度，（N·s）·m-2，μeff= μ + μt=0.0845；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C1ε=1.42，C2ε=1.68；

除霜除霧模型的空氣入口為空調(diào)在車身上的進(jìn)氣口，出口為車后部出口。

通過軟件處理模型的幾何錯(cuò)誤，得到一個(gè)封閉空間的計(jì)算域，如圖2所示，并生成多面體形式的體網(wǎng)格。風(fēng)機(jī)采用實(shí)際模型模擬，轉(zhuǎn)速為3000 r·min-1，冷凝器和暖風(fēng)芯風(fēng)阻特性由空調(diào)實(shí)測(cè)得到。在空調(diào)、前風(fēng)窗和側(cè)窗附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格總數(shù)為230萬，保證模擬計(jì)算精度。

圖2 除霜除霧模型面網(wǎng)格示意圖

2 除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)與CFD分析優(yōu)化

首輪風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受汽車內(nèi)部空間限制，風(fēng)道需要避讓環(huán)境件，在有限地空間內(nèi)盡量保證足夠的截面積，減少壓力損失，使風(fēng)量最大化。

此款車型空調(diào)為偏置，空調(diào)出風(fēng)口不在中央位置，導(dǎo)致風(fēng)道不對(duì)稱。按照布置要求設(shè)計(jì)除霜風(fēng)道，初版數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 初版除霜風(fēng)道圖

除霜風(fēng)道經(jīng)過CFD分析計(jì)算如圖4所示。1）①②導(dǎo)流槽方向問題，導(dǎo)致渦流嚴(yán)重，特別是上部左側(cè)導(dǎo)流槽阻礙風(fēng)的流動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)道壓力損失大，出風(fēng)量變??；2）③④位置由于截面積變化大，產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致左右除霜風(fēng)量較??；3）風(fēng)速分布不均勻，最大風(fēng)速達(dá)到24.5 m·s-1，風(fēng)速大將產(chǎn)生氣動(dòng)噪音。

圖4 初版風(fēng)道CFD分析

根據(jù)初版數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)風(fēng)道進(jìn)行第1輪優(yōu)化（圖5），此輪數(shù)據(jù)盡量避免風(fēng)道截面積急劇變化，調(diào)節(jié)導(dǎo)流槽方向。1）優(yōu)化①處導(dǎo)流槽；2）去除上部②處導(dǎo)流槽；3）③④處平緩過渡；4）優(yōu)化⑤處結(jié)構(gòu)，使其緩慢過渡，以降低風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速。

圖5 第1輪優(yōu)化后風(fēng)道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

將優(yōu)化后的風(fēng)道數(shù)據(jù)進(jìn)行第2輪CFD分析（圖6a），結(jié)果如下：1）③④處側(cè)除霜風(fēng)道進(jìn)口處渦流得到改善；2）中間導(dǎo)流槽導(dǎo)致風(fēng)偏向副駕駛側(cè)，駕駛側(cè)擋風(fēng)玻璃上風(fēng)速?。▓D6b），導(dǎo)致A區(qū)除霜緩慢，不滿足法規(guī)要求，因此中間導(dǎo)流槽仍需調(diào)整，使駕駛側(cè)和副駕駛側(cè)風(fēng)速均勻覆蓋A區(qū)；3）風(fēng)道截面積小導(dǎo)致風(fēng)速24 m·s-1風(fēng)速較高（圖6a），需要繼續(xù)修改，盡量在設(shè)計(jì)階段降低風(fēng)道風(fēng)速，減小風(fēng)噪聲。

針對(duì)第2 輪分析，再次修改除霜除霧風(fēng)道，優(yōu)化后的風(fēng)道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如圖6c所示。1）需要增加除霜風(fēng)道面積，減小導(dǎo)流槽寬度，將中間導(dǎo)流槽①②寬度由13 mm改為2 mm，增加風(fēng)道面積；2）為增加A區(qū)風(fēng)量，增加導(dǎo)流槽③；3）中間導(dǎo)流槽④根據(jù)第2輪流線方向進(jìn)行設(shè)計(jì)。

運(yùn)行再次修改數(shù)據(jù)進(jìn)行第3輪CFD分析，由于減小導(dǎo)流槽寬度，風(fēng)道內(nèi)部流速降低到13.8 m·s-1（圖7a），增加導(dǎo)流槽③使風(fēng)速大于1 m·s-1區(qū)域覆蓋駕駛員側(cè)A區(qū)，有效改善風(fēng)量分配區(qū)域，使風(fēng)速均勻覆蓋法規(guī)要求的A區(qū)和A′區(qū)（圖7b）。

在穩(wěn)態(tài)CFD分析優(yōu)化除霜風(fēng)道后，再進(jìn)行瞬態(tài)分析，這樣有利于合理利用計(jì)算資源和節(jié)省計(jì)算時(shí)間，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果在開始除霜14 min 后，A區(qū)和A′區(qū)均除霜完畢，滿足法規(guī)要求（圖7c）。

圖6 第2輪CFD分析優(yōu)化

圖7 第3輪CFD分析優(yōu)化

3 除霜試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)GB11555-2009 除霜和除霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[3]，設(shè)定環(huán)境艙的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法，結(jié)果如下：1）檢驗(yàn)開始后20 min時(shí)，除霜面積占A區(qū)的98%，滿足不小于80%的要求；2）檢驗(yàn)開始后25 min時(shí)，除霜面積占A′區(qū)100%，滿足不小于80%的要求；3）檢驗(yàn)開始后40 min時(shí)，除霜面積占B區(qū)100%，滿足不小于95%的要求。

樣車的除霜、除霧性能符合GB11555-2009中對(duì)相關(guān)項(xiàng)目檢驗(yàn)的要求。出風(fēng)角度正確，清除風(fēng)窗玻璃表面霜和霧的能力較好。

4 結(jié)論

1）通過CFD分析得到的風(fēng)道內(nèi)部流線圖，適當(dāng)增加導(dǎo)向筋可改善導(dǎo)風(fēng)方向，優(yōu)化風(fēng)量分布區(qū)域，使得暖風(fēng)均勻覆蓋除霜目標(biāo)區(qū)域。

2）為有效利用CFD 計(jì)算資源節(jié)省分析時(shí)間，前期只進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，通過前風(fēng)窗玻璃風(fēng)速分布圖，優(yōu)化除霜風(fēng)速分布區(qū)域后再進(jìn)行瞬態(tài)CFD分析計(jì)算除霜時(shí)間。

3）通過在風(fēng)道零件設(shè)計(jì)階段進(jìn)行CFD分析，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)可以有效降低后期試驗(yàn)和修改模具的費(fèi)用，縮短開發(fā)周期。

[1]祁照崗，陳江平，胡偉.汽車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)CFD研究與優(yōu)化[J].汽車工程，2005，27（1）：103-106.

[2]GB 11555-2009，汽車風(fēng)擋玻璃除霜除霧系統(tǒng)的性能要求及試驗(yàn)方法[S].

[3]王緒彪.輕型客車駕駛室除霜[J].汽車工程師，2011（8）：47-48.

[4]賈彥龍，韓青，蘇新梅，陳憲琳，王仁人.基于CFD的空氣濾清器入口結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（4）：9-12+21.