汽車空調除霜性能的CFD模擬

熱設計 2020-12-25

1 前言

冬天氣溫下降到零度以后，停在戶外的汽車玻璃上會結上一層冰霜，特別是在我國北方地區，結在汽車玻璃上的霜凍會嚴重影響駕駛員的視野，對行車安全產生危害。因此，有效的除霜系統是十分必要的，它應該盡可能快地除去車窗玻璃上的霜層。為此SAE發展了一套工業標準，包括標準的試驗過程和汽車前風擋除霜系統的性能指標。不同的國家和不同的汽車制造商也有自己對此的標準，在國內GB11555-94對汽車的除霜系統性能做出了嚴格的規定[2] 。

本文主要介紹了在某車型的除霜系統的開發過程中，利用 CFD 軟件 STAR-CD 對其進行了穩態情形下的全熱除霜模式下的 CFD 分析，得出了除霜風道各出風口的風量分配，風道和乘客艙內的速度矢量和壓力分布，特別是前擋風玻璃和前側窗上的速度矢量圖。根據 CFD 分析結果，提出風道設計的改進建議，并根據修改方案修改除霜風道數模，最終得到了滿足設計要求的除霜系統。

2.計算模型的建立及方案確定

2.1 幾何模型建立

根據某車型的三維 CAD 實體模型，分別選擇 HVAC、風道和車身的內表面生成模擬空間。考慮到汽車產品的復雜性，為了節約時間和減少網格數量，在不影響模擬精度的前提下，需要對車廂內表面做一些簡化處理。但對模擬的關鍵部件，如 HVAC、風道等的細部結構則應盡量保留，如圖 1 所示。

由于 CFD 網格劃分需要在一個封閉的空間內進行，而 CAD 模型之間有一些縫隙和漏洞，如果直接在 CAD 軟件中進行模型的前處理，需要花費大量的時間和精力，因此，我們采用先在 Hypermesh 中劃分三角形的表面網格，如圖 2 所示，這樣表面的連接和修補相對容易，然后輸出為 Patran 格式，再導入到 ICEM-CFD 中生成體網格。根據劃分網格的重要性，不同的表面在 Hypermesh 中分成不同的組，導入到 ICEM-CFD 后會分成不同的 Family。

2.2 網格生成

在本次分析中，采用 ICEM-CFD 劃分 CFD 體積網格，如圖 3 所示。由于幾何造型的復雜性，為精確模擬風道等細節，決定采用四面體網格。為減少網格生成所花時間，對于未改變幾何的部分采用網格繼承方法，不做修改。由于風道系統是優化重點，所以把超過50%的單元數放在風道內部，以強化對風道流動細節的了解。另外在前風擋、前側窗、除霜隔柵和人體表面，網格也需要細化。

2.3 邊界條件

本分析采用以 HVAC 的進口為入口，為 INLET 邊界條件。出口條件設在經過處理的后擋風下延的出風位置處，為 Pressure 壓力邊界條件，并在原有出口表面上拉伸出一條通道，以防止出口邊界上有回流產生。

2.4 計算過程

算法：SIMPLE 算法；

格式：二階迎風格式（MARS）；

最大殘差：0.001；

求解方法：AMG；

在本設計中采用高雷諾數k－ε模型，它經證明適用于模擬汽車內外流場這種高雷諾數的情況[1] 。

由以上可知，本次 CFD 分析過程主要包括建立數學物理模型、數值算法求解及結果可視化三部分，如圖 4 所示。

3.計算結果分析

經過分析，我們得到了除霜風道各出風口的流量分配以及風道和駕駛室內的壓力和速度矢量分布等，并針對風量分配的大小及部分區域存在渦流的情況，對風道入口大小及風道形狀進行了更改。本次設計前后進行了四輪更改和分析，最后得到了比較滿意的結果。下面主要以前擋風玻璃和前側窗上的速度矢量分布的變化介紹了本次設計的優化更改過程。

3.1 第一輪分析結果

經過第一輪分析，存在的問題是：側除霜風口主流動區與側窗的交點偏后偏上，影響駕駛員觀察外后視鏡的視線；另外，中央擋風玻璃上的除霜面積偏小偏上，如圖 5 所示。我們第一輪首先集中精力調整側除霜，具體方案是：調整側出風口格柵角度，使之由原來的橫向改成縱向放置，片數改為兩片，方向朝側窗，以使側除霜的氣流出口相對于側窗而言更靠前和靠下。

3.2 第二輪分析結果

在這輪分析中，側除霜吹點前后方向的位置點已基本符合要求，但上下方向位置略微偏低；另外前風擋駕駛員和副駕駛員側頭部附近存在回流區，如圖 6 所示。辦法是對除霜格柵角度進行微調，使側除霜氣流略向上移；調整中央除霜格柵的角度使兩側各自的氣流以扇形展開，從而在前風擋形成覆蓋 AB 區的速度均勻的流場；另外將前風擋格柵的流通面積加大，所有封閉柵段全部打開，增大流通面積。

3.3 第三輪分析結果

第三輪分析后，側除霜基本滿足要求，達到設計目標。3米速度暖風范圍可以覆蓋前窗 AB 區的絕大部分，前風擋上可以清晰分辨氣流撞擊區位置和左右流動分界線，如圖 7 所示。主要問題是在擋風玻璃上左右側 A 柱附近存在小尺度回流區，但直觀判斷不影響 AB 區初霜效果；另外在前窗中部車頂附近還有小尺度回流區，具體辦法是進一步調整中央除霜格柵角度，使氣流進一步向兩側散開；另外由于格柵全部放開后中央除霜流量比例偏大，建議中央除霜條左右各堵塞一個孔。