丁博巖，何 淵，鄭志軍，呂 浩，徐浩文，金立軍

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201800)

引言

汽車燈具不僅是整車造型的重點(diǎn)，并且對(duì)整車的安全性有著重要的影響。車燈起霧問(wèn)題嚴(yán)重影響到了汽車的外觀和安全，因此解決車燈起霧問(wèn)題迫在眉睫。

在分析和解決車燈起霧問(wèn)題中，對(duì)車燈起霧的模擬分析至關(guān)重要。在試裝和批量之前，通過(guò)模擬仿真的方式把車燈起霧的情況、位置和原因分析清楚，才能在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段通過(guò)各種手段來(lái)減少車燈起霧發(fā)生的可能性[1]。目前，對(duì)車燈起霧的模擬通常按照對(duì)車燈外配在降溫起霧后消霧階段的液膜情況進(jìn)行分析。但是由于液膜只能從模擬的角度判斷是否消霧完成，而無(wú)法針對(duì)潛在的起霧及難以消霧的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行評(píng)估，更無(wú)法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)域進(jìn)行定性分析。

本文通過(guò)對(duì)車燈起霧的原因進(jìn)行分析，提出了一種基于有限元仿真判斷車燈起霧和對(duì)潛在的起霧風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行量化評(píng)判的模擬方法：采用車燈外配內(nèi)表面全露點(diǎn)差閾值方法判斷分析車燈起霧風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)該方法，不僅可以對(duì)車燈外配是否起霧、起霧位置和起霧程度做一個(gè)直接、準(zhǔn)確的判斷，同時(shí)還能夠判斷潛在的起霧風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域并對(duì)其量化分析，從而在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段就針對(duì)車燈起霧風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域做一些優(yōu)化措施來(lái)避免風(fēng)險(xiǎn)。

1 露點(diǎn)差閾值評(píng)判方法

1.1 露點(diǎn)差的含義與定義

結(jié)霧是空氣內(nèi)的水汽遇到冷的表面而在表面上凝結(jié)成霧氣或水珠的自然物理現(xiàn)象。

造成這種現(xiàn)象的主要原因是空氣的溫度低于空氣的露點(diǎn)，使得空氣中的一部分水蒸氣無(wú)法以氣體的形式存在空氣中，從而以液體的形式被釋放出來(lái)，產(chǎn)生霧氣[2]。

露點(diǎn)差Dtd是指環(huán)境溫度和露點(diǎn)的差值，當(dāng)露點(diǎn)差大于0 ℃時(shí)，表示環(huán)境溫度大于露點(diǎn)，此時(shí)不會(huì)產(chǎn)生霧氣。露點(diǎn)差越大表示溫度越遠(yuǎn)高于露點(diǎn)，起霧的風(fēng)險(xiǎn)也越低。當(dāng)露點(diǎn)差越接近于0 ℃，表示此時(shí)環(huán)境溫度越接近于露點(diǎn)，因此起霧的風(fēng)險(xiǎn)也越高，一旦溫度稍微降低，或者空氣中濕度稍微升高(露點(diǎn)升高)，則有可能發(fā)生溫度低于露點(diǎn)而導(dǎo)致起霧的現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)露點(diǎn)差等于0 ℃時(shí)，環(huán)境溫度等于露點(diǎn)，此時(shí)空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，相對(duì)濕度達(dá)到100%；當(dāng)露點(diǎn)差小于0 ℃，則環(huán)境溫度低于露點(diǎn)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生霧氣。因此起霧風(fēng)險(xiǎn)的大小可以通過(guò)露點(diǎn)差的概念來(lái)判斷[3]。

1.2 物體表面露點(diǎn)差的計(jì)算

根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范第6部分：空氣溫度和濕度的觀測(cè)》(QX/T 50—2007)標(biāo)準(zhǔn)，露點(diǎn)溫度Td可采用新系數(shù)的馬格拉斯公式求出初值，再用逐漸逼近(最多三次方)方法求出露點(diǎn)Td(℃)[4]：

(1)

式中，e表示水汽壓，單位為百帕(hPa)；E0表示0 ℃時(shí)的飽和水汽壓，取值為6.1078 hPa；a表示系數(shù)，取7.69；b表示系數(shù)，取243.92。

式(1)中的水汽壓e可以通過(guò)相對(duì)濕度進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中，U表示相對(duì)濕度，單位為百分率(%)；Ew表示干球溫度t所對(duì)應(yīng)的純水平液面飽和水汽壓，單位為百帕(hPa)可用式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中，Ew表示純水平液面飽和水汽壓，單位為百帕(hPa)；T1表示水的三相點(diǎn)溫度，273.16 K；T表示絕對(duì)溫度，單位為開(kāi)爾文(K)，T=273.15+t℃；t表示環(huán)境溫度，單位為攝氏度(℃)。

通過(guò)上述公式可以看出，露點(diǎn)的計(jì)算與溫度以及相對(duì)濕度有關(guān)。而露點(diǎn)差可以通過(guò)環(huán)境溫度和已經(jīng)計(jì)算出的露點(diǎn)的差值計(jì)算得出：

Dtd=t-Td

(4)

其中：t表示環(huán)境溫度；Td表示露點(diǎn)溫度。

1.3 露點(diǎn)差閾值

露點(diǎn)差閾值(Dtd)是指，當(dāng)露點(diǎn)差大于此閾值時(shí)，起霧的風(fēng)險(xiǎn)較低且消霧較易；而當(dāng)露點(diǎn)差小于此閾值時(shí)，起霧的風(fēng)險(xiǎn)較高且消霧較難。

根據(jù)模擬條件和實(shí)際車燈實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文采用露點(diǎn)差閾值的經(jīng)驗(yàn)值為2 ℃(與下文所提出的霧氣模擬條件相關(guān)聯(lián)，不同的模擬條件可以采用不同的露點(diǎn)差閾值)。即當(dāng)露點(diǎn)差小于經(jīng)驗(yàn)露點(diǎn)差閾值2 ℃的區(qū)域是有霧氣風(fēng)險(xiǎn)的，露點(diǎn)差大于經(jīng)驗(yàn)露點(diǎn)差閾值2 ℃的區(qū)域霧氣風(fēng)險(xiǎn)較低。

1.4 露點(diǎn)差閾值對(duì)車燈起霧模擬上的應(yīng)用

在1.3節(jié)提到，判斷起霧風(fēng)險(xiǎn)可以直接通過(guò)是否小于露點(diǎn)差閾值來(lái)判斷，而露點(diǎn)差的計(jì)算與溫度以及相對(duì)濕度有關(guān)，因此汽車外配內(nèi)表面上每一點(diǎn)的露點(diǎn)差都是不同的?？梢酝ㄟ^(guò)有限元模擬，得到車燈外配表面每一點(diǎn)的溫度以及相對(duì)濕度，再利用式(1)～式(4)計(jì)算車燈外配每一個(gè)點(diǎn)的露點(diǎn)差，再通過(guò)露點(diǎn)差是否小于露點(diǎn)差閾值來(lái)判斷起霧風(fēng)險(xiǎn)，此流程如圖1所示。

圖1 露點(diǎn)差判斷汽車外配起霧風(fēng)險(xiǎn)流程圖Fig.1 Flowchart for determining the risk of automotive exterior fogging by dew point difference

2 露點(diǎn)差閾值法的模擬驗(yàn)證

2.1 模擬條件

模擬針對(duì)某實(shí)驗(yàn)尾燈的A燈進(jìn)行霧氣仿真，模擬條件如下：

第一步，設(shè)置初始環(huán)境溫度35 ℃，開(kāi)燈狀態(tài)下外配側(cè)的給予一定對(duì)流換熱系數(shù)。

第二步，仿真快速降溫起霧過(guò)程，外配側(cè)溫度設(shè)置為降溫溫度，并且對(duì)流換熱系數(shù)提高，使得外配的溫度迅速降低以達(dá)到起霧的目的，同時(shí)殼體處對(duì)流換熱系數(shù)保持不變且溫度降低。此階段下為關(guān)燈狀態(tài)且持續(xù)3 min。

第三步，仿真消霧階段，此時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)調(diào)整到最初始條件：保持溫度為第二步驟殼體溫度，且持續(xù)60 min。

一般地，仿真結(jié)果在開(kāi)始消霧后60 min內(nèi)霧氣全部消散則認(rèn)為燈具的霧氣是低風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 液膜模擬結(jié)果

圖2為消霧過(guò)程10～60 min的液膜厚度圖，藍(lán)色區(qū)域?yàn)橐耗ず穸葹?的區(qū)域，即無(wú)霧氣區(qū)域；而非藍(lán)色區(qū)域就是液膜厚度大于0也就是有霧氣的區(qū)域。在整個(gè)消霧過(guò)程中，霧氣位置(液膜大于0的位置)是逐步減小的，40 min之后液膜變?yōu)?，表示40 min后霧氣完全消除。

圖2 消霧過(guò)程—液膜結(jié)果圖Fig.2 Mist elimination process-liquid film result diagram

因此，按照通常情況可以判斷此實(shí)驗(yàn)尾燈的消霧能力是低風(fēng)險(xiǎn)的。

2.3 露點(diǎn)差閾值法模擬結(jié)果

進(jìn)一步，利用露點(diǎn)差閾值法來(lái)進(jìn)行車燈霧氣的風(fēng)險(xiǎn)判斷。首先通過(guò)仿真模擬得到外配的溫度和相對(duì)濕度結(jié)果，再利用式(3)對(duì)露點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算，從而得出整個(gè)消霧過(guò)程的露點(diǎn)溫度。根據(jù)相同時(shí)刻下的溫度和露點(diǎn)溫度算出露點(diǎn)差，從而得到整個(gè)消霧過(guò)程的露點(diǎn)差結(jié)果，如圖3所示。

圖3 消霧過(guò)程—露點(diǎn)差結(jié)果圖Fig.3 Mist elimination process-dew point difference result diagram

由圖3可知，露點(diǎn)差從消霧開(kāi)始大部分區(qū)域小于2 ℃開(kāi)始不斷升高，但是在40 min后仍然有部分區(qū)域是小于2 ℃的。如果把露點(diǎn)差圖按照露點(diǎn)差閾值2 ℃進(jìn)行不同顏色劃分則如圖4所示。

圖4 消霧過(guò)程—按照露點(diǎn)差閾值劃分結(jié)果圖Fig.4 Fogging process-results by dew point difference thresholds

如圖4所示，紅色區(qū)域是露點(diǎn)差大于2 ℃的區(qū)域，而藍(lán)色區(qū)域是露點(diǎn)差小于2 ℃的區(qū)域?？梢钥闯觯?0 min后在靠近焊接筋處以及外側(cè)處仍有藍(lán)色區(qū)域，也就是低于露點(diǎn)差閾值2 ℃的。即雖然在40 min后，從液膜結(jié)果圖來(lái)看是沒(méi)有霧氣的(液膜都為0)，但是從露點(diǎn)差閾值結(jié)果來(lái)看，靠近焊接筋處以及外側(cè)處是有很大的霧氣問(wèn)題風(fēng)險(xiǎn)的。因?yàn)樵趯?shí)際使用中，如果燈體溫度降低或者燈腔內(nèi)相對(duì)濕度較高都會(huì)導(dǎo)致這部分區(qū)域產(chǎn)生較多霧氣而無(wú)法消除。

2.4 低溫環(huán)境霧氣實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證露點(diǎn)差閾值法判斷車燈外配起霧風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確性，對(duì)此實(shí)驗(yàn)燈具進(jìn)行低溫環(huán)境霧氣實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為：在低溫環(huán)境下，車輛停止一段時(shí)間后，開(kāi)燈狀態(tài)下以一定速度開(kāi)一定距離，如果霧氣沒(méi)有消除則繼續(xù)關(guān)燈繼續(xù)行駛一定距離看是否霧氣消除，最終，如果霧氣還是不能消除，則車輛的消霧能力是較差的。

圖5為此實(shí)驗(yàn)尾燈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比圖。從圖中可以看出，產(chǎn)生霧氣的位置是在靠近焊接筋處以及外側(cè)處，低溫環(huán)境霧氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果與利用露點(diǎn)差閾值法判斷的車燈起霧風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域基本吻合，而這部分起霧區(qū)域是利用液膜法無(wú)法模擬和判斷出來(lái)的。

圖5 模擬結(jié)果與低溫環(huán)境霧氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of simulation results with results of low-temperature ambient fog experiments

3 總結(jié)

(1)汽車車燈起霧問(wèn)題的研究對(duì)汽車照明是非常重要的，而在開(kāi)發(fā)階段的霧氣模擬又是提前判斷出車燈起霧風(fēng)險(xiǎn)以及起霧風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的第一道也是最重要的一個(gè)手段。因此，車燈的霧氣模擬非常重要。

(2)傳統(tǒng)利用液膜法來(lái)模擬車燈起霧的方法雖然可以精確模擬出是否起霧、多久可以消霧，以及尚未消霧的區(qū)域。但是由于液膜只有大于0和小于0兩個(gè)界限，針對(duì)有些區(qū)域是有潛在的起霧或消霧難的風(fēng)險(xiǎn)，采用液膜仿真結(jié)果無(wú)法識(shí)別。

(3)利用露點(diǎn)差閾值法不僅能精準(zhǔn)的判斷是否會(huì)起霧以及無(wú)法消霧的區(qū)域，并且通過(guò)閾值的量化可以判斷車燈外配存在的潛在起霧的區(qū)域以及難以消霧的區(qū)域。

(4)根據(jù)不同的霧氣模擬條件可以采用不同的露點(diǎn)差閾值，通過(guò)閾值來(lái)量化起霧風(fēng)險(xiǎn)提前防范可能起霧的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。