方月嬌 Fang Yuejiao

基于CFD的汽車側(cè)窗除霜除霧優(yōu)化設(shè)計(jì)

方月嬌
Fang Yuejiao

（江西昌河汽車有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

汽車空調(diào)的除霜除霧性能對(duì)汽車的駕駛安全有重要意義。針對(duì)市場(chǎng)反饋某微型貨車前門側(cè)窗除霜除霧效果差，采用Fluent軟件對(duì)該微型貨車的除霜除霧性能進(jìn)行CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）數(shù)值模擬分析，計(jì)算風(fēng)管內(nèi)氣流矢量和側(cè)窗玻璃上氣流速度分布，獲得前門側(cè)窗除霜除霧效果差的原因，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)優(yōu)化前后前門側(cè)窗除霜除霧效果進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與CFD分析一致，表明CFD分析方法的可靠性，為汽車空調(diào)設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

微型貨車；除霜除霧；CFD；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

冬天氣溫下降戶外汽車玻璃會(huì)結(jié)冰霜，特別是在我國(guó)北方地區(qū)，汽車玻璃上的霜凍嚴(yán)重影響駕駛員的視野，對(duì)行車安全造成危害；因此提高汽車除霜除霧的性能是汽車設(shè)計(jì)開發(fā)階段的一項(xiàng)重要工作。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依賴經(jīng)驗(yàn)，需要反復(fù)試制和測(cè)試，增加了車輛研發(fā)成本，延長(zhǎng)研發(fā)時(shí)間。由于CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）仿真分析技術(shù)的快速發(fā)展，CFD已經(jīng)成為汽車除霜除霧性能設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的常用工具，可有效縮短車型研發(fā)周期并降低設(shè)計(jì)成本[1-2]。

以某微型貨車用戶反饋的側(cè)窗除霜除霧效果差問題為出發(fā)點(diǎn)，利用ANSYS Fluent對(duì)該車型除霜除霧性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算風(fēng)管內(nèi)的氣流矢量和側(cè)窗玻璃上氣流速度分布，找出側(cè)窗除霜除霧性能差的原因，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)側(cè)窗除霜除霧有效面積提升至90%以上的目的。

1 RNG k-e數(shù)學(xué)模型

在穩(wěn)態(tài)速度模型中流體為空氣，用2階離散方法來求解流場(chǎng)方程，RNG-模型對(duì)流線彎曲度較大的流動(dòng)做了較好處理，控制方程為[3]

2 側(cè)窗除霜除霧CFD仿真分析

2.1 建立CFD分析模型

根據(jù)某車型的三維CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）實(shí)體模型，分別選擇儀表板、格柵、風(fēng)道和車身的內(nèi)表面生成模擬空間。在應(yīng)用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)汽車除霜除霧進(jìn)行分析和研究時(shí)，為減少網(wǎng)格數(shù)目，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)車內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但對(duì)模擬的關(guān)鍵部件的細(xì)部結(jié)構(gòu)盡量保留?？紤]到車內(nèi)后座回流的空氣對(duì)風(fēng)窗玻璃除霜除霧效果影響不明顯，因此不考慮車內(nèi)后部空間，截取一片側(cè)窗玻璃為邊界面構(gòu)建空腔模型進(jìn)行分析，如圖1所示。由于左右風(fēng)管結(jié)構(gòu)對(duì)稱，相比眼橢圓在左側(cè)窗投影，在右側(cè)窗投影更靠近A柱，對(duì)風(fēng)向要求更高，故主要對(duì)右側(cè)窗進(jìn)行分析，眼橢圓在左側(cè)窗投影差異對(duì)比如圖2所示，其中位置1、2為眼橢圓在左側(cè)窗投影，位置2、3為眼橢圓在右側(cè)窗投影。

圖1 側(cè)窗除霜除霧分析模型

圖2 眼橢圓在側(cè)窗上的投影對(duì)比

為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，沒有考慮風(fēng)機(jī)部分，僅對(duì)從側(cè)窗風(fēng)管出口到儀表板送風(fēng)口的部分進(jìn)行研究。為了對(duì)風(fēng)道內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)幾何模型作如下假設(shè)[4-5]：

（1）空氣為不可壓縮流體，且密度為常數(shù)；

（2）風(fēng)道系統(tǒng)密封良好，除進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口外沒有空氣泄漏。

進(jìn)行CFD模擬時(shí)，常采用的基本邊界條件包括：流動(dòng)進(jìn)口邊界、流動(dòng)出口邊界、給定壓力邊界、壁面邊界、對(duì)稱邊界和周期（循環(huán)）邊界。

根據(jù)除霜除霧模型計(jì)算需要，選用速度進(jìn)口邊界條件，用于定義進(jìn)口的速度大小、方向等其他相關(guān)標(biāo)量值。壓力出口邊界條件給定出口的靜壓（表壓）[6]，其與其他量設(shè)置不同，根據(jù)內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算結(jié)果給定，而其他量都是根據(jù)內(nèi)部流動(dòng)外推出邊界。

2.2 后處理分析

風(fēng)管內(nèi)的氣流速度矢量如圖3所示，右側(cè)窗的氣流速度分布如圖4所示。風(fēng)管內(nèi)氣流在靠近格柵處的速度最高，風(fēng)管內(nèi)不存在風(fēng)速為0的區(qū)域，氣流沿著儀表板上的出風(fēng)口向車廂內(nèi)吹。從圖4可以判斷駕駛員的眼橢圓（95%的眼橢圓）在右側(cè)窗上的投影，不是整個(gè)側(cè)窗中風(fēng)速最高的區(qū)域，而且側(cè)窗上最高風(fēng)速只有0.645 m/s，與經(jīng)驗(yàn)值相比，風(fēng)速偏低。

圖3 風(fēng)管內(nèi)的氣流速度矢量圖

圖4 右側(cè)窗的氣流速度分布圖

右側(cè)窗的人眼橢圓中點(diǎn)縱向平面的氣流速度分布如圖5所示。從圖5可以判斷經(jīng)儀表板出風(fēng)口處的氣流沒有按照設(shè)計(jì)要求吹向側(cè)窗指定區(qū)域，導(dǎo)致側(cè)窗人眼橢圓處風(fēng)速偏低，除霜除霧效果不理想。

圖5 右側(cè)窗人眼橢圓中點(diǎn)縱向平面的氣流速度分布圖

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

從CFD分析的結(jié)果判斷，暖風(fēng)并未均勻吹向人眼橢圓在側(cè)窗的投影區(qū)域，沒能滿足使駕駛員清楚觀察到后視鏡的要求，與用戶的反饋結(jié)果一致。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、驗(yàn)證和比較其他車型的結(jié)構(gòu)等方法，針對(duì)每個(gè)可能的原因進(jìn)行分析，最終得出側(cè)窗除霜除霧改進(jìn)方案，并分析改進(jìn)方案的可實(shí)施性，見表1。

表1 改進(jìn)方案以及改進(jìn)方案的可實(shí)施性

考慮到該車型為量產(chǎn)車型，所以設(shè)定改進(jìn)目標(biāo)為改動(dòng)成本最低，在不對(duì)儀表板等大型零部件進(jìn)行變更的前提下，提升該車型的側(cè)窗除霜除霧效果，并將側(cè)窗的除霜除霧有效面積提升至90%以上（除霜除霧功能開啟10 min）。通過對(duì)改進(jìn)方案的可實(shí)施性進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)設(shè)定的改進(jìn)目標(biāo)，確定以方案3作為最終優(yōu)化方案。方案中，導(dǎo)風(fēng)片為左右對(duì)稱件，其結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示，增加導(dǎo)風(fēng)片前、后的出風(fēng)口結(jié)構(gòu)分別如圖6（b）、6（c）所示，導(dǎo)風(fēng)片布置在儀表板出風(fēng)口和風(fēng)管之間，先將其與儀表板出風(fēng)口進(jìn)行安裝，再安裝風(fēng)管。

增加導(dǎo)風(fēng)片后風(fēng)管內(nèi)氣流速度矢量如圖7所示，風(fēng)管內(nèi)氣流在靠近格柵處的速度最高，氣流沿著儀表板上出風(fēng)口吹向側(cè)窗玻璃，經(jīng)過方案3優(yōu)化設(shè)計(jì)后，最高風(fēng)速由4.75 m/s提高至7.28 m/s。

（a）導(dǎo)風(fēng)片結(jié)構(gòu)（b）安裝導(dǎo)風(fēng)片前出風(fēng)口結(jié)構(gòu)（c）安裝導(dǎo)風(fēng)片后出風(fēng)口結(jié)構(gòu)

圖7 優(yōu)化后風(fēng)管內(nèi)的氣流速度矢量圖

優(yōu)化后右側(cè)窗的氣流速度分布如圖8所示。從圖8可以判斷，增加導(dǎo)風(fēng)片后駕駛員的右眼橢圓在側(cè)窗上的投影成為整個(gè)側(cè)窗中風(fēng)速最高的區(qū)域，而且側(cè)窗上的最高風(fēng)速從 0.645 m/s提高到1.485 m/s，是優(yōu)化前的2.3倍，改善效果明顯。

圖8 優(yōu)化后右側(cè)窗的氣流速度分布圖

優(yōu)化后右側(cè)窗的人眼橢圓中點(diǎn)縱向平面的氣流速度分布如圖9所示。從圖9可知，經(jīng)儀表板出風(fēng)口處的氣流在導(dǎo)風(fēng)片的影響下，直接吹向人眼橢圓在側(cè)窗的投影區(qū)域。

圖9 優(yōu)化后右側(cè)窗眼橢圓中點(diǎn)縱向平面的氣流速度分布圖

3 實(shí)車驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CFD分析的正確性與通用性，對(duì)車輛按照GB 11555—2009《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行實(shí)車模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)的兩臺(tái)車輛狀態(tài)分別為在產(chǎn)狀態(tài)和改進(jìn)狀態(tài)，重點(diǎn)比較試驗(yàn)開始8 min后的側(cè)窗除霜除霧效果，見表2。比較結(jié)果顯示，改進(jìn)狀態(tài)車輛比在產(chǎn)狀態(tài)車輛除霜效果更優(yōu)，后視鏡視野區(qū)域的結(jié)霜基本清除干凈，如圖10、圖11所示。

表2 在產(chǎn)車與改進(jìn)車側(cè)窗除霜除霧有效面積對(duì)比

圖10 駕駛員側(cè)除霜除霧效果

圖11 副駕駛員側(cè)除霜除霧效果

從圖10、圖11中可以看出，右側(cè)窗的除霜除霧效果更好，不排除左、右側(cè)風(fēng)管的風(fēng)量對(duì)除霜除霧效果的影響。

CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，表明利用ANSYS Fluent進(jìn)行分析能準(zhǔn)確地反映出車輛的除霜除霧效果，且采用方案3進(jìn)行優(yōu)化滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

（1）運(yùn)用ANSYS Fluent軟件對(duì)某微型貨車的除霜除霧效果進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果，提出了最佳的優(yōu)化方案，有效解決了側(cè)窗除霜除霧效果不佳的問題，并在實(shí)車上得到驗(yàn)證。

（2）優(yōu)化方案3通過改變出風(fēng)口處的風(fēng)向，取得明顯除霜除霧效果?？偟膩碚f，影響側(cè)窗除霜除霧效果的因素不只與風(fēng)向有關(guān)，還與暖風(fēng)機(jī)性能有關(guān)，只有多方面結(jié)合，才可以真正提高側(cè)窗除霜除霧性能。

（3）模型質(zhì)量、網(wǎng)格大小會(huì)對(duì)計(jì)算的速度和精度產(chǎn)生一定影響，若為了體現(xiàn)整車的除霜除霧效果，應(yīng)建立更加完整的分析模型。后續(xù)將增加空調(diào)風(fēng)口的風(fēng)量分配、車內(nèi)結(jié)構(gòu)以及內(nèi)飾件等因素對(duì)除霜除霧效果影響的研究。

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2019-04-11

U463.85+1：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.010

1002-4581（2019）04-0036-04