孫建逵,宮曉彬

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208)

0 引言

我國(guó)北方的冬天比較長(zhǎng)，氣溫很低，汽車擋風(fēng)玻璃上結(jié)霜現(xiàn)象比較普遍，汽車的除霜功能是必不可少的，是保證安全行駛的前提。并且汽車除霜性能是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制檢測(cè)的一項(xiàng)指標(biāo)，GB 11555—2009對(duì)除霜性能做了嚴(yán)格的規(guī)定[1]，前擋玻璃的區(qū)域劃分如圖1所示。

圖1 前擋風(fēng)玻璃區(qū)域

除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)除霜系統(tǒng)的性能，目前除霜風(fēng)道在設(shè)計(jì)過(guò)程中大多采用CFD計(jì)算分析，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究[2-6]，有些學(xué)者引入了試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)方法對(duì)除霜風(fēng)道進(jìn)行了優(yōu)化，谷正氣等[7]使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)對(duì)風(fēng)道內(nèi)葉片進(jìn)行了優(yōu)化，李旭等人[8]使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)和遺傳算法對(duì)除霜的出口格柵角度進(jìn)行了優(yōu)化。以上的研究?jī)?yōu)化方向比較集中，且計(jì)算工況單一，未考慮客戶在實(shí)際使用過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲因素。本文作者引入DFSS中的優(yōu)化方法，考慮實(shí)際使用過(guò)程中的噪聲因素，對(duì)某一車型的除霜風(fēng)道進(jìn)行整體優(yōu)化分析，得到除霜性能穩(wěn)健的設(shè)計(jì)方案。

1 優(yōu)化模型

21世紀(jì)初，各大汽車制造商及其零部件供應(yīng)商都廣泛應(yīng)用六西格瑪設(shè)計(jì)這一高效的方法，這一方法有以顧客為關(guān)注焦點(diǎn)、最優(yōu)化的過(guò)程設(shè)計(jì)、成本低以及可靠性高的特點(diǎn)[9]。六西格瑪設(shè)計(jì)流程由5個(gè)部分組成：識(shí)別、定義、研發(fā)、優(yōu)化和驗(yàn)證[10]，文中主要運(yùn)用六西格瑪設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，對(duì)CFD計(jì)算案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)，從而提高效率、降低成本。

1.1 理想函數(shù)

理想函數(shù)是系統(tǒng)的基本函數(shù)，它表示系統(tǒng)可以優(yōu)化到一個(gè)理想的狀態(tài)。一般線性關(guān)系的理想函數(shù)最容易處理，考慮前擋玻璃除霜是個(gè)能量交互的過(guò)程，以進(jìn)風(fēng)溫度為輸入信號(hào)，前擋風(fēng)玻璃的加權(quán)平均溫度為輸出響應(yīng)建立一元一次方程的理想函數(shù)，該函數(shù)斜率為β，斜率越大，說(shuō)明系統(tǒng)的效率越高。

在進(jìn)風(fēng)溫度一定的情況下，玻璃某區(qū)域的溫度高，則該區(qū)域的除霜速度也快。在前擋風(fēng)玻璃的各個(gè)區(qū)域中，如圖1所示，A區(qū)與A′區(qū)最為重要，B區(qū)次之，一般情況下除霜出口氣流在前擋玻璃上的入射點(diǎn)落在B″區(qū)內(nèi)，所以該區(qū)域除霜較容易，根據(jù)前擋風(fēng)玻璃各區(qū)域的重要性，理想函數(shù)的輸出采用各區(qū)域溫度的加權(quán)平均值。

1.2 控制因子

當(dāng)除霜風(fēng)道開(kāi)口格柵確定以后，影響除霜性能的主要因素之一就是除霜風(fēng)道的設(shè)計(jì)，也就是風(fēng)道內(nèi)部流道的設(shè)計(jì)，風(fēng)道內(nèi)部流道設(shè)計(jì)包括風(fēng)道本身的形狀與風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)流葉片的設(shè)置，根據(jù)可控的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)置控制因子與水平。

文中以風(fēng)道的形狀A(yù)、導(dǎo)流葉片擺放的角度B、葉片的長(zhǎng)短C以及葉片在風(fēng)道內(nèi)的位置D作為控制因子，每個(gè)控制因子分別有3個(gè)控制水平，其中以A1、B1、C1、D1組合為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。如圖2所示為風(fēng)道不同的形狀，葉片角度在B1設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上依次轉(zhuǎn)動(dòng)10°，葉片長(zhǎng)短在C1的基礎(chǔ)上依次增加7 mm，葉片的位置以D1為基準(zhǔn)，分別向中間平移10 mm。

圖2 風(fēng)道形狀

通過(guò)測(cè)試一系列設(shè)計(jì)參數(shù)的組合來(lái)確定它們對(duì)信噪比和斜率的影響，從而選擇最佳的組合來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)控制因子的數(shù)量與水平，采用L9的組合正交列表。

1.3 噪聲水平

在除霜實(shí)際使用過(guò)程中，還有一些因素影響著除霜的性能，但這些因素不受風(fēng)道設(shè)計(jì)所控制，稱之為系統(tǒng)的噪聲。信號(hào)、控制因子和噪聲因子全部影響著能量的轉(zhuǎn)換和結(jié)果的輸出，一個(gè)穩(wěn)健的系統(tǒng)應(yīng)對(duì)噪聲因子不敏感。文中以環(huán)境溫度與進(jìn)風(fēng)流量作為噪聲因子，模擬客戶在不同環(huán)境溫度下使用不同風(fēng)量進(jìn)行除霜，為減少計(jì)算模擬的組合次數(shù)，將噪聲因子水平進(jìn)行組合，其中環(huán)境溫度低，氣流流量小，為引起低響應(yīng)的水平N1；環(huán)境溫度高，氣流流量大的，為引起高響應(yīng)的水平N2。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的建立

用ANSA軟件對(duì)幾何體處理進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，再把面網(wǎng)格導(dǎo)入到T-grid內(nèi)生成體網(wǎng)格，T-grid內(nèi)可拉伸5 mm厚的玻璃體網(wǎng)格與0.48 mm厚的霜層體網(wǎng)格。在Fluent計(jì)算時(shí)，假定空氣為不可壓縮氣體，湍流模型采用k-ε模型，空間離散采用二階迎風(fēng)差分格式，迭代方式用Simple算法，并選用能量方程。

2.2 邊界條件

給定兩個(gè)信號(hào)水平，進(jìn)口溫度分別為37 ℃與67 ℃，進(jìn)口邊界為速度進(jìn)口，出口邊界為壓力出口，霜層與外界環(huán)境對(duì)流換熱。探究噪聲因子的水平，邊界條件的組合見(jiàn)表1。

表1 邊界條件

3 結(jié)果與分析

利用Fluent軟件對(duì)9種組合的設(shè)計(jì)分別設(shè)置4種邊界條件進(jìn)行計(jì)算，得到各區(qū)域內(nèi)平均溫度，再計(jì)算得到擋風(fēng)玻璃的加權(quán)平均值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果 ℃

每個(gè)組合有4個(gè)輸出，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以根據(jù)公式(1)和公式(2)計(jì)算出每個(gè)組合的斜率β和輸出的方差σ2。

(1)

(2)

式中：Mi為信號(hào)輸入，即除霜?dú)饬鬟M(jìn)口溫度;yi為CFD計(jì)算結(jié)果的輸出，即玻璃溫度。

計(jì)算出斜率β和輸出的方差σ2后，就可以根據(jù)公式(3)得到每個(gè)組合的信噪比S/N。

(3)

每個(gè)控制因子水平在正交列表中出現(xiàn)的次數(shù)是一樣的，都出現(xiàn)了3次，計(jì)算含有某一控制因子水平的3個(gè)信噪比和斜率的平均值，作為該控制因子水平的信噪比和斜率，這樣就可以區(qū)分每個(gè)控制因子在各水平上的影響效果。計(jì)算得到的每個(gè)控制因子水平的信噪比與斜率如圖3和圖4所示，圖中虛線為各計(jì)算結(jié)果的平均值。

圖3 信噪比

圖4 斜率

從圖3中可以看出，A1、B2、C2、D2對(duì)系統(tǒng)控制的信噪比最高，B2與C2的斜率也最大，雖然A1的斜率比A2小，D2的斜率比D3小，但這兩個(gè)控制因子在這幾個(gè)水平上對(duì)斜率的影響并不是很大，所以以信噪比為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的最佳組合為A1、B2、C2、D2。

4 計(jì)算驗(yàn)證

對(duì)最佳組合的設(shè)計(jì)方案使用CFD進(jìn)行除霜非穩(wěn)態(tài)模擬分析，根據(jù)國(guó)標(biāo)試驗(yàn)要求設(shè)置計(jì)算邊界條件，環(huán)境溫度為-18 ℃，玻璃厚度5 mm，霜層厚度為0.48 mm，進(jìn)口流量為72 L/s，給定進(jìn)口氣流溫度的溫升變化。

圖5為最佳方案前擋玻璃上的速度云圖，從速度云圖上看，A區(qū)和A′區(qū)內(nèi)速度分布為斜對(duì)角線向上，整個(gè)速度云圖成蝴蝶狀展開(kāi)，速度分布較均勻。

圖5 速度云圖

圖6為最優(yōu)方案CFD非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果，從上往下分別是在5、10、15和20 min時(shí)前擋玻璃的除霜情況，圖中白色區(qū)域?yàn)樗M的區(qū)域。15 min時(shí)，A區(qū)和A′區(qū)內(nèi)已完成除霜，B區(qū)的95%區(qū)域也已完成除霜。20 min時(shí)，整個(gè)前擋玻璃完成除霜，根據(jù)CFD分析結(jié)果，該風(fēng)道的設(shè)計(jì)方案能夠滿足國(guó)標(biāo)除霜要求。

圖6 CFD計(jì)算除霜過(guò)程

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)風(fēng)道優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案制作除霜風(fēng)道樣件，將風(fēng)道樣件安裝在整車上，對(duì)整車進(jìn)行除霜性能的GB 11555—2009試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，其中從上往下分別為5、10、15和20 min時(shí)前擋玻璃上除霜的狀態(tài)。除霜的形狀與速度，試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果都相符。15 min時(shí)的除霜狀態(tài)已經(jīng)滿足了GB 11555—2009中40 min時(shí)的要求，整個(gè)除霜過(guò)程迅速。

圖7 試驗(yàn)除霜過(guò)程

6 結(jié)論

文中在設(shè)計(jì)除霜風(fēng)道的過(guò)程中引入了六西格瑪設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，計(jì)算證明除霜風(fēng)道的彎曲形狀、風(fēng)道內(nèi)導(dǎo)流葉片的長(zhǎng)度、葉片擺放的位置與角度是影響除霜性能穩(wěn)健性與效率的關(guān)鍵因素，且CFD計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較一致，CFD計(jì)算的可信度很高。

以CFD計(jì)算為工具，結(jié)合DFSS方法能夠有效地減少設(shè)計(jì)除霜風(fēng)道的周期，降低開(kāi)發(fā)成本，并能夠很好地保證除霜系統(tǒng)性能的穩(wěn)健性與高效性。