馮鴻飛 王 坤 李四旺

乘用車空調(diào)除霜性能要求與試驗方法研究

馮鴻飛1王 坤2李四旺1

（1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 廣州 511434；2．中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院 長春 130011）

針對我國北方寒冷冬季行車對空調(diào)除霜功能的需求，討論應(yīng)用現(xiàn)行國標(biāo)考核除霜性能的局限性。為量化環(huán)境溫度對除霜效果的影響，在驗證CFD計算可靠性的基礎(chǔ)上，利用CFD瞬態(tài)分析得出了環(huán)境溫度與整車除霜時間，除霜面積之間的關(guān)系。綜合CFD分析和試驗結(jié)果，對國標(biāo)除霜法規(guī)中乘用車除霜性能要求和試驗方法提出修改建議：即將A區(qū)完成80%所需時間由現(xiàn)行20min縮短至15min，并增加怠速工況除霜性能考核：即25min后，A區(qū)完成80%。

除霜；CFD分析；性能要求；試驗方法

0 引言

汽車空調(diào)除霜性能的好壞直接關(guān)系到整車的行駛安全[1]，乘員艙氣流的速度場和溫度場的影響因素眾多[2-5]，國家法規(guī)GB-11555中對汽車空調(diào)除霜性能要求為：環(huán)境溫度-18℃條件下，20min內(nèi)A區(qū)完成80%；25min內(nèi)A’區(qū)完成80%；40min內(nèi)B區(qū)完成95%[6]。我國幅員遼闊，北方地區(qū)冬季環(huán)境溫度可能遠(yuǎn)低于國標(biāo)中的規(guī)定值，圖1收集了1980～2010年北方四城市1月份日最低溫度平均值，圖2收集了1980～2010年北方四城市1月份日濕度曲線，從兩圖中可以看出，部分地區(qū)冬季環(huán)境溫度會達(dá)到-30℃及以下，相對濕度會達(dá)到75%甚至更高。

如果沒有除霜裝置，汽車行駛幾公里后，前風(fēng)窗玻璃就會結(jié)滿霜。霜厚一般在0.5～1mm之間，此時風(fēng)窗會變成全盲區(qū)，致使駕駛員無法駕駛車輛。由此可見，除霜與汽車安全性密切相關(guān)，如何有效除霜是一個值得深入研究的課題。

圖1 北方四城1980～2010年1月份日最低溫度情況

圖2 北方四城1980～2010年1月份日濕度分布情況

為解決上述問題，在優(yōu)化乘用車空調(diào)除霜系統(tǒng)設(shè)計的同時需要從法規(guī)上對除霜系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行重新限定，即降低除霜法規(guī)中環(huán)境溫度值以適應(yīng)寒區(qū)工況，相應(yīng)地需要試驗室內(nèi)提供更低的環(huán)境溫度作為支持。考慮到獲取低溫工況需要的高成本，建議在維持當(dāng)前試驗環(huán)境溫度的條件下，縮短除霜規(guī)定時間。另外，考慮到冬季冷啟車過程，需增加對車輛怠速過程中除霜性能的考核。

文獻(xiàn)[7-11]采用了CFD的方法車輛乘員艙進(jìn)行了數(shù)值模擬和研究。將瞬態(tài)CFD分析應(yīng)用到除霜系統(tǒng)的模擬計算中，不僅能得到整個流動區(qū)域的速度、溫度分布，還能直觀地表現(xiàn)出整個除霜的動態(tài)過程[12]。為分析環(huán)境溫度對除霜效果的影響，首先建立整車除霜瞬態(tài)CFD分析模型并將分析結(jié)果與現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗證模型的正確性；然后通過瞬態(tài)CFD計算，分別獲得環(huán)境溫度-25℃、-30℃、-35℃下除霜時間及除霜效果；最后提出對國標(biāo)除霜法規(guī)的修改建議：將原要求中的20min內(nèi)A區(qū)完成80%，提升至15min內(nèi)A區(qū)完成80%；并增加怠速工況下，25min內(nèi)，A區(qū)完成80%。

1 模型建立

1.1 模型描述及理論分析

在實車除霜過程中，熱空氣通過供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)（HVAC）總成除霜出風(fēng)口，經(jīng)過除霜風(fēng)道、除霜噴嘴后吹入車室內(nèi)?？紤]到實際情況中車內(nèi)通風(fēng)集中于前半?yún)^(qū)，因此本文建立車室內(nèi)前半部分模型，具體構(gòu)成如圖3和圖4所示。

圖3 整車除霜模型簡化示意圖

圖4 除霜風(fēng)道

在整車除霜過程中，車室內(nèi)速度場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間遠(yuǎn)小于溫度場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間。因此，文中除霜性能模擬分兩步進(jìn)行。首先，通過求解連續(xù)性方程、動量方程和湍流方程得出車室內(nèi)速度場的分布；隨后利用速度場的穩(wěn)態(tài)解，完成能量方程的求解，得出整個流場區(qū)域的瞬態(tài)溫度場和除霜情況。在對除霜過程瞬態(tài)求解過程中，基于以下兩點簡化：不考慮熱空氣與霜層之間的輻射換熱；不考慮融化后的水在玻璃表面的流動，即認(rèn)為融化過程中的冰水混合物及融化后的水靜止在玻璃表面上。

其中

式中：為液態(tài)潛熱。

能量方程可寫成：

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

采用四面體網(wǎng)格對熱空氣流經(jīng)的區(qū)域劃分，并將除霜風(fēng)道、除霜噴嘴、前風(fēng)窗、側(cè)風(fēng)窗附近網(wǎng)格進(jìn)行加密；風(fēng)窗玻璃、霜層采用偏移的棱柱網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分示意如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

模型入口設(shè)置在除霜風(fēng)道進(jìn)口處，定義該位置體積流量為320m3/h，出口設(shè)置在B柱后側(cè)，設(shè)置相對壓力為0Pa。瞬態(tài)計算過程中，時間項采用一階隱式格式離散，時間步長設(shè)置為5s；計算過程中涉及的物性參數(shù)如表1所示。

表1 物性參數(shù)表

2 模型驗證及分析

2.1 國標(biāo)工況下計算分析及試驗驗證

為驗證CFD瞬態(tài)分析的可信度，根據(jù)現(xiàn)有的除霜試驗數(shù)據(jù)（環(huán)境溫度-18℃），提取出熱空氣溫度隨時間的變化關(guān)系，計算及結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖7 左側(cè)風(fēng)窗除霜效果

從圖6和圖7中可以看出，前風(fēng)窗10min后，A區(qū)完成50%左右，12min后，A區(qū)完成90%以上，16min后，A區(qū)完全除凈；側(cè)風(fēng)窗8min 開始化霜，12min后視野區(qū)完全除凈，16min整個側(cè)風(fēng)窗基本除凈。

通過與圖6、圖7中的試驗數(shù)據(jù)圖8和圖9對比可以看出，前風(fēng)窗除霜過程，司機側(cè)8min、10min的計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，副駕駛側(cè)8min、10min時刻計算結(jié)果稍慢于試驗結(jié)果；12min以后，前風(fēng)窗整體除霜效果與試驗基本相符。側(cè)風(fēng)窗除霜過程，12min之前，計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為相符；12min后，計算結(jié)果稍快于試驗結(jié)果。瞬態(tài)CFD計算的除霜過程與試驗結(jié)果在時間上存在的差異，分析原因為：CFD計算在處理傳熱及相變過程中做了大量簡化，并且沒有考慮霜層融化后水的流動帶來的影響；試驗用的風(fēng)道及除霜噴嘴為試制件，配合處存在漏風(fēng)，導(dǎo)致噴嘴實際出風(fēng)量與理論值有差異，造成除霜效果的差異。

圖8 前風(fēng)窗除霜試驗曲線

圖9 左側(cè)風(fēng)窗除霜試驗曲線

對比以上瞬態(tài)CFD仿真結(jié)果和試驗除霜曲線后認(rèn)為，利用瞬態(tài)CFD分析預(yù)測乘用車空調(diào)除霜效果是可行的。

2.2 環(huán)境溫度對除霜效果影響研究

為研究環(huán)境溫度對除霜效果的影響，分別計算了環(huán)境溫度在-25℃、-30℃、-35℃條件下的除霜時間及除霜效果，如圖10、圖11和圖12所示。同時為確保計算的一致性，忽略了環(huán)境溫度對發(fā)動機水溫上升速率的影響，即認(rèn)為在此三種工況下，入口熱空氣溫度隨時間變化關(guān)系是相同的。

圖10 -25℃環(huán)境溫度下12min前風(fēng)窗除霜效果

圖11 -30℃環(huán)境溫度下12min前風(fēng)窗除霜效果

圖12 -35℃環(huán)境溫度下12min前風(fēng)窗除霜效果

從圖10、圖11和圖12可以看出，環(huán)境溫度對除霜效果的影響是十分明顯的，在寒區(qū)條件下，需要更長是時間完成除霜過程，不同環(huán)境溫度下除霜效果對比如圖13所示。

從圖13中可以看出，除霜時間與環(huán)境溫度之間的變化關(guān)系基本是線性的，若要保證在-35℃環(huán)境下實現(xiàn)A區(qū)20min內(nèi)完成80%的要求，至少需要-18℃環(huán)境下（國標(biāo)工況）A區(qū)12min完成，這樣在-35℃下才可以取得比較好的除霜效果。綜合考慮后建議將原國標(biāo)要求中的20min內(nèi)A區(qū)完成80%，提升至15min內(nèi)A區(qū)完成80%。

2.3 怠速工況下除霜效果分析

為考核怠速工況下的除霜效果，對環(huán)境溫度-18℃工況進(jìn)行模擬，入口熱空氣溫度隨時間的變化關(guān)系來源于試驗數(shù)據(jù)，怠速工況前風(fēng)窗除霜效果如圖14所示。

圖14 怠速工況前風(fēng)窗除霜效果

從圖中可以看出，環(huán)境溫度-18℃，怠速工況除霜時，10min后，前風(fēng)窗玻璃開始化霜；15min后，A區(qū)除霜完成50%；20min后，A區(qū)除霜完成80%以上。冬季車輛怠速除霜，用戶希望時間越短越好，所以有必要對整車的低溫怠速除霜增加考核工況。綜合考慮后，建議在原國標(biāo)要求中增加怠速工況考核，要求25min后，A區(qū)完成80%以上。

3 結(jié)束語

（1）建立整車除霜瞬態(tài)CFD分析模型，并將分析結(jié)果與現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明利用瞬態(tài)CFD分析預(yù)測乘用車空調(diào)除霜效果是可行的；

（2）除霜時間與環(huán)境溫度之間的變化關(guān)系基本是線性的，并且隨著環(huán)境溫度的降低，B區(qū)除霜的效率與A區(qū)的除霜效率差異逐漸增大。

（3）利用瞬態(tài)CFD分析得出了不同環(huán)境溫度下前風(fēng)窗、側(cè)風(fēng)窗的除霜情況，量化了環(huán)境溫度對除霜效果的影響和怠速工況對于除霜效果的影響結(jié)果。對國標(biāo)除霜法規(guī)提出修改建議：將原要求中的20min內(nèi)A區(qū)完成80%，提升至15min內(nèi)A區(qū)完成80%，并增加怠速工況考核，即要求25min內(nèi)，A區(qū)完成80%。

[1] 張炳力,胡忠文,薛鐵龍.基于程序集成及響應(yīng)面模型的車輛除霜性能優(yōu)化[J].汽車工程,2015,37(5):605.

[2] 徐曉明,趙又群.汽車方艙空調(diào)系統(tǒng)的仿真分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012,44(3):92.

[3] 袁俠義,戴澍凱,姜葉潔,等.汽車除霜性能CFD分析與試驗驗證[J].客車技術(shù)與研究,2015,(5):52.

[4] 谷正氣,文琪,湯柱良,等.基于集成方法的汽車除霜除霧風(fēng)道改進(jìn)[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2017, (10):2649.

[5] 胡興軍,葛吉偉,苗月興.汽車除霜風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計[C].第二十七屆全國水動力學(xué)研討會文集（上冊）,2015: 625-628.

[6] GB 11555-2009,汽車風(fēng)窗玻璃除霜除霧系統(tǒng)的性能要求及試驗方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009:1-6.

[7] 彭倩,黃繼文,劉金武,等.客車空調(diào)送風(fēng)參數(shù)對室內(nèi)流場的影響研究[J].制冷與空調(diào),2016,(6):716-719.

[8] 于淼,王東屏,襲望,等.地鐵車空調(diào)風(fēng)道及車室內(nèi)氣流組織數(shù)值仿真[J].大連交通大學(xué)學(xué)報,2014,35(2):16-19.

[9] 李紅民.空調(diào)列車室內(nèi)流動與傳熱的模擬研究[J].制冷與空調(diào),2018,32(2):112-116.

[10] 韓立辰,馮煉,袁艷平.地鐵車站地道風(fēng)系統(tǒng)降溫效果的數(shù)值分析[J].制冷與空調(diào),2016,(1):1-4.

[11] 何丹.TL855型礦山車輛駕駛艙空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[D].西安:西京學(xué)院,2017.

[12] AbdulNour B S. CFD Prediction of Automotive Windshield Defrost Pattern[J]. SAE Technical Paper, 1999,1:1203.

Study on the Performance Requirement and Testing Method in Passenger Car’s Defrosting Process

Feng Hongfei1Wang Kun2Li Siwang1

( 1.GAC R&D CENTER, Guangzhou, 511434; 2.FAW Research and Development, Changchun, 130011 )

In view of the requirement of the defrosting function in cold northern China, the limitations of the national standard (GB) in judging the defrosting performance were discussed. In order to quantify the relationship between the ambient temperature and the defrosting effect, the relationship between the ambient temperature and the vehicle’s defrosting time, defrosting area were studied based on the verification of the CFD reliability. Combination of CFD analysis and the experiment data, the GB defrosting regulations in passenger car defrosting performance requirements and test methods proposed were changed. The defrosting time of A zone with 80% completion was shortened from 20min to 15min, and the examination of idle defrosting performance that A zone finished 80% after 25 minutes was added.

defrosting; CFD analysis; performance requirements; test method

U461

A

1671-6612（2020）05-592-05

馮鴻飛（1988.01-），女，本科，工程師，E-mail：fenghongfei@gacrnd.com

2019-12-16