顧小江，李茹，孟慶恩，尹麗偉，劉演華

(1.常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000； 2.河海大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇常州 210098； 3.中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

0 引言

隨著城市交通的日益發(fā)達，汽車相關(guān)的制造業(yè)也逐漸成熟，尤其是汽車燈具的設(shè)計和制造工藝、燈具制造的質(zhì)量檔次都有了很大提高。燈具霧氣問題是全球性的并普遍存在的，也是前照燈市場中主要抱怨問題[1]。燈罩內(nèi)表面產(chǎn)生霧氣時涉及到熱流動、光學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)等多方面知識，在處理車燈起霧方面，當(dāng)前的經(jīng)驗和技術(shù)還存在很多的不足之處。在過去的燈具設(shè)計中，光學(xué)設(shè)計占據(jù)主導(dǎo)地位，利用光學(xué)完成主要設(shè)計工作，而在車燈流道結(jié)構(gòu)對燈內(nèi)流場影響的分析上存在很大的缺陷[2]。汽車燈具內(nèi)發(fā)生流動主要是因為溫度分布不均勻引起的自然對流。燈內(nèi)氣體流動很大程度決定了燈內(nèi)的溫度，可以通過調(diào)整車燈結(jié)構(gòu)或增加燈具換氣設(shè)計的方式改善燈內(nèi)空氣的流動，對流可以將熱量傳遞到燈腔的各個部分，提高每個區(qū)域的溫度，避免低溫的死區(qū)，同時強對流可以促使燈內(nèi)水分蒸發(fā)，從而降低結(jié)霧的可能[3]。通過改善燈內(nèi)流道結(jié)構(gòu)可以很好地改善燈內(nèi)氣流的流動以及燈內(nèi)氣流與外部環(huán)境的交換，從而在設(shè)計初期避免霧氣在燈罩面的產(chǎn)生。

1 車燈的結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計車燈結(jié)構(gòu)時，為了滿足美觀和功能要求，存在輻射和對流死角，某些區(qū)域溫度低于車燈內(nèi)部水蒸氣飽和溫度，容易出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象。汽車的前照燈結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，形成的流道也各不相同。在燈具設(shè)計過程中，主要可調(diào)整流道長度、間隙以及流道角度的變化對氣流運動的影響。

通過對比不同燈內(nèi)流道結(jié)構(gòu)的差異進行分析和探討，總結(jié)出車燈普遍的流道結(jié)構(gòu)如圖1所示，對車燈流道模型進行簡化。

該簡化模型中主要保留了可以體現(xiàn)流道影響因子的關(guān)鍵參數(shù)，飾圈與燈罩間的間隙、燈罩底部朝向殼體內(nèi)腔的翻邊角度、飾圈與燈罩面上下端進出口間隙、燈罩面底部上下翻邊的長度等都可以在其中體現(xiàn)出來，為后續(xù)單一變量的試驗方法及制作模型試驗驗證提供可操作性與可行性。簡易流道實驗三維建模及實物樣件如圖2所示。

圖1 模型剖面

圖2 簡易流道實驗三維建模及實物樣件

1.1 流道模型研究參數(shù)及參數(shù)范圍的確立

研究簡化車燈流道試驗?zāi)Ｐ椭饕堑贸鲈谲嚐艄ぷ鬟^程中氣流通過透氣孔流入流道中，調(diào)整飾圈與燈罩面的間隙、燈罩翻邊的角度、飾圈上下端出入口距離的大小對氣流流速大小的影響，得到消散霧氣的理想氣流流速，從而有效降低車燈總成起霧風(fēng)險，提高車燈的使用性能，預(yù)防和控制車燈起霧問題。

在車燈實際設(shè)計中，為了滿足配光、車燈整體造型及車燈美觀等需求，飾圈與燈罩面間隙、燈罩翻邊的角度、飾圈上下端出入口距離等都有一個實際設(shè)計參考。根據(jù)車燈統(tǒng)計測量結(jié)果以及實際設(shè)計參考，車燈各研究參數(shù)確立如圖3所示。

圖3 車燈底部剖面

飾圈與燈罩面間隙、燈罩翻邊的角度、飾圈上下端出入口距離等實驗參數(shù)取值范圍如表1所示。

表1 車燈流道各個參數(shù)統(tǒng)計

1.2 車燈模型的網(wǎng)格劃分

將一個連續(xù)系統(tǒng)分割成有限個單元，對每一個單元給出一個近似解，再將所有單元按照一定的方式進行組合，來模擬或者逼近原來的系統(tǒng)，從而將一個連續(xù)的無限自由度問題簡化為一個離散的有限自由度問題進行分析求解。求解的精確性取決于好的網(wǎng)格質(zhì)量，而網(wǎng)格數(shù)量過多又會影響分析周期。與其他前處理軟件相比，Autodesk CFD軟件可自動生成網(wǎng)格，其簡單快速的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分功能使其在CFD前處理過程中得到了極其廣泛的應(yīng)用[4]。

簡化后的前照燈流道實驗幾何模型中由燈罩、殼體、導(dǎo)流板和飾圈形成的封閉空間為燈腔內(nèi)部流體計算域。根據(jù)模擬分析的需要，對精度要求高的地方，如流道內(nèi)的空氣域、飾圈與燈罩面間的空氣域網(wǎng)格劃分得細(xì)一些；對于對分析模擬不太重要的地方如殼體部分、燈罩部分網(wǎng)格可以劃分得粗一些，因為有限元分析結(jié)果的精度取決于網(wǎng)格的質(zhì)量，而網(wǎng)格數(shù)量過多又會影響分析周期。整體網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格截面

1.3 車燈模型物理模型設(shè)定

Autodesk CFD軟件中有多種物理模型可供選擇，如能量方程、多相流模型、湍流模型、輻射模型、組分傳輸模型、離散相模型等。本文作者在該車燈的溫度穩(wěn)態(tài)模擬中選用的是能量方程、層流模型、組分傳輸模型。

(1)

Re小于2 300，故該燈內(nèi)部的自然對流為層流，選用層流模型。

1.4 車燈簡化模型材料參數(shù)設(shè)置

在建立模擬分析模型中非常關(guān)鍵的一步便是正確設(shè)定所研究物質(zhì)的物性參數(shù)。在Autodesk CFD中，物性參數(shù)的設(shè)定是在Materials(材料)面板中完成的。

該流道試驗?zāi)Ｐ偷挠嬎懔黧w域主要是由燈罩、殼體形成的封閉空間，定義為混合氣體。對于固體材料來說，需要定義材料的密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容，如果模擬半透明物質(zhì)，還需要設(shè)定物質(zhì)的輻射屬性。此模型均采用PC材料，其各項物性參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 流體與固體物性參數(shù)

1.5 簡化模型邊界條件設(shè)置

研究簡化車燈流道試驗?zāi)Ｐ椭饕峭ㄟ^調(diào)整流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到能消散霧氣的理想氣流流速，從而有效降低車燈總成起霧風(fēng)險，提高車燈的使用性能，對車燈起霧問題起到預(yù)防和控制作用。

本文作者根據(jù)霧氣試驗統(tǒng)計及經(jīng)驗設(shè)計，在通氣口入口處設(shè)置流速為1 000 mm/s，在出口處設(shè)置壓力為0，氣流通過導(dǎo)流板流入飾圈與燈罩之間，通過殼體后方透氣孔流出，調(diào)整飾圈與燈罩面的間隙、燈罩翻邊的角度、飾圈上下端出入口距離的大小，統(tǒng)計在飾圈與燈罩面間隙出口處氣體流速的大小，從而得出不同流道結(jié)構(gòu)對流場的影響。

2 流場的模擬結(jié)果及流速統(tǒng)計分析

在Autodesk CFD中設(shè)定完求解選項后進行求解，得到的流道模型流場整體分布如圖6所示。

圖6 流道模型流場整體分布

如圖6所示：氣流由底部透氣孔流入，分別向腔體前后兩側(cè)流出，后方流道間隙為5 mm不變，研究前方飾圈與燈罩間隙內(nèi)氣流流動情況。調(diào)整飾圈與燈罩面的間隙、燈罩翻邊的角度、飾圈上下端出入口距離的大小，測量飾圈與燈罩面出口出定點的流速。

用單一變量法對流道出口口徑S1、流道入口口徑S2、飾圈與燈罩間隙d、燈罩曲面角度β、曲邊長度a、曲邊長度b分別進行研究。

流道出口口徑S1對氣流流速的影響統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各流道出口口徑流速統(tǒng)計

流道入口口徑S2對氣流流速的影響統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各流道入口口徑流速統(tǒng)計

飾圈與燈罩間隙d對氣流流速的影響統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同飾圈與燈罩間隙處流速統(tǒng)計

燈罩曲面角度β對氣流流速的影響統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 不同流道角度的流速統(tǒng)計

曲邊長度a對氣流流速的影響統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 不同曲邊長度a流速統(tǒng)計

曲邊長度b對氣流流速的影響統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 不同曲邊長度b流速統(tǒng)計

由表2—表7可知：當(dāng)流道出口口徑為5 mm時，間隙內(nèi)流速最大；當(dāng)流道入口口徑越小時，間隙內(nèi)流速越大，入口口徑大于3 mm時，流速變化較小；飾圈與燈罩間隙在3 mm時，間隙內(nèi)流速最大，間隙距離大于3 mm時，流速變化較??；當(dāng)燈罩曲面角度大于120°時，間隙內(nèi)流速較大，流速變化較為平緩，燈罩曲面角度為90°時，流速最小；當(dāng)上曲邊長度小于45 mm時，間隙內(nèi)流速較大，且變化較小，上曲邊長度大于45 mm時，流速開始減?。幌虑呴L度變化對飾圈與燈罩內(nèi)間隙流速的影響相反，當(dāng)下曲邊長度為45 mm時，流道間隙內(nèi)流速最小。

3 流道模型飾圈與燈罩角度試驗驗證

3.1 實驗方法及設(shè)備

通過吸氣泵提供穩(wěn)定氣源，通過U形管連接氣壓計，獲得流速一定的氣流，通過橡膠泥密封模型底部透氣孔，流入導(dǎo)流板內(nèi)，殼體上設(shè)有燈罩，燈罩上設(shè)有翻邊，燈罩內(nèi)設(shè)有與翻邊形狀相對應(yīng)的飾圈，燈罩面下翻邊曲邊呈一定角度，飾圈與所述翻邊形成間隙，間隙的一側(cè)設(shè)有安裝孔，安裝孔與風(fēng)速測速儀連通，殼體一側(cè)設(shè)有透氣孔，殼體底部設(shè)有導(dǎo)流板和進氣孔。

由于此次實驗主要通過改變燈罩面下翻邊曲邊角度，測量指定點流速，故需要借助風(fēng)速測速儀。實驗設(shè)備包括流道樣件模型、量角器、風(fēng)速測速儀、鋁箔、吸氣泵、三通管、氣體流量計、橡膠軟管等，如圖8所示。

圖8 實驗設(shè)備

3.2 測流速實驗過程

調(diào)試吸氣泵，獲得穩(wěn)定氣流量，通過橡膠軟管與三通管連接后，一端通入壓力測試計，直到讀數(shù)大概穩(wěn)定，另一端通過橡膠軟管通入流道簡易模型底部透氣孔，透氣孔周圍用橡膠泥密封。在模型側(cè)邊飾圈上方5 mm處，開孔通入風(fēng)速測速儀，測量飾圈與燈罩面間隙出口處指定點流速。在實際燈具設(shè)計過程中，由于外部造型為配合整車造型，大都確定難以改變。對于車燈設(shè)計者來說，車燈內(nèi)部飾圈與燈罩角度變化可操作性較強，同時對霧氣影響較大，故作者分別改變飾圈與燈罩底部翻邊角度為90°、120°、150°，其間燈罩面與飾圈之間間隙始終保持3 mm不變，用風(fēng)速測速儀測量記錄指定點流速。實驗平臺如圖9所示。

圖9 實驗平臺

3.3 實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

在實驗中，因風(fēng)速測速儀精度問題，因此主要對比流速變化趨勢，而不是數(shù)值大小。故經(jīng)過數(shù)次實驗后的平均測試結(jié)果與模擬修正結(jié)果對比如表8所示。

表8 指定點流速實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

由表8可知：通過模擬與試驗對比，發(fā)現(xiàn)燈罩曲邊角度在90°時，指定點流速最小，角度為120°和150°時，流速較大，且變化緩慢。模擬與實驗整體變化趨勢相同，但存在一定誤差。而造成誤差的主要原因有以下幾點：

(1)簡化后的車燈幾何模型與實際模型存在一定的偏差；

(2)風(fēng)速測速儀精度較低也會造成二者之間的偏差；

(3)模擬分析時所設(shè)置的邊界條件與實際的測量環(huán)境會有一定的區(qū)別，故也會產(chǎn)生一定的誤差。

因此可認(rèn)為通過數(shù)值模擬得到的角度對流速的影響有一定的可靠性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

模擬結(jié)果顯示：通過調(diào)整飾圈與燈罩面的間隙、燈罩翻邊的角度、燈罩面曲邊長度、飾圈上下端出入口距離的大小，流道出口處指定點流速會受到不同影響。從模擬結(jié)果來看，假設(shè)氣流從“殼體”底部透氣孔，通過導(dǎo)流板，經(jīng)過“飾圈”與“燈罩”之間通道流向“燈罩面”：

(1)流道出口處距離在5 mm時，流速達到最大；入口距離越小流速越大，當(dāng)入口距離大于3 mm時，流速變化較??；

(2)流道長度較短時，一般小于5 mm時，飾圈與燈罩間隙在5 mm時，流速達到最大；

(3)流道長度較長時，燈罩與飾圈間隙在3 mm時，流速達到最大；當(dāng)間隙大于3 mm時，流速變化較小；

(4)水平方向流道長度小于45 mm時，流速差異較小且流速較大；反重力方向流道長度越小，速度損失越??；

(5)燈罩底部曲面角度在90°～180°內(nèi)時，120°～150°時流速較大，90°時流速最小。

本文作者采用模擬分析與單一變量法相結(jié)合的研究方法，對簡化的流道試驗?zāi)Ｐ偷牧鲌鲞M行了數(shù)值模擬分析，得到了給定試驗條件下氣流流動情況分布趨勢，為車燈的設(shè)計提供了一定的參考。