湯柱良，袁俠義，彭麗娟，陳　林（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州　511434）

汽車擋風(fēng)玻璃除霜性能數(shù)值模擬及優(yōu)化

湯柱良，袁俠義，彭麗娟，陳林
（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州511434）

利用CFD方法對(duì)某汽車擋風(fēng)玻璃的除霜過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，針對(duì)單送風(fēng)口結(jié)構(gòu)除霜?dú)饬鬟^(guò)于集中，導(dǎo)致?lián)躏L(fēng)玻璃A區(qū)除霜過(guò)慢的問(wèn)題，采用雙送風(fēng)口結(jié)構(gòu)并建立其三階響應(yīng)面模型，利用遺傳算法，以傳熱系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)吹風(fēng)角度進(jìn)行優(yōu)化，消除了除霜死角，提高了除霜效率。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；除霜性能；擋風(fēng)玻璃

1　問(wèn)題的提出

汽車擋風(fēng)玻璃結(jié)霜起霧是汽車行駛過(guò)程中經(jīng)常遇到且需要解決的問(wèn)題。它在很大程度上會(huì)影響到駕駛員的視野，造成嚴(yán)重的安全隱患，良好的擋風(fēng)玻璃除霜性能，是汽車設(shè)計(jì)階段一項(xiàng)重要工作。為滿足駕駛員前方180°視野范圍，國(guó)標(biāo)GB 11555-2009中明確規(guī)定了除霜時(shí)間限制：20 min時(shí)A區(qū)域有80%已完成除霜，25 min 時(shí)A'區(qū)域有80%已完成除霜，40 min時(shí)B區(qū)域有95%已完成除霜［1］。

由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法周期長(zhǎng)，花費(fèi)成本高，因此，CFD方法受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。文獻(xiàn)［2］使用STAR-CD實(shí)現(xiàn)了對(duì)前擋風(fēng)玻璃除霜除霧效果的數(shù)值模擬。文獻(xiàn)［3-6］將數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了CFD方法的準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)［7］分析了氣流從矩形出風(fēng)口沖擊固定傾斜壁面的流體熱參數(shù)，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)［8］對(duì)除霜風(fēng)道流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，針對(duì)除霜風(fēng)道壓力損失較大、出風(fēng)速度不均等問(wèn)題，對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。前人研究成果對(duì)除霜效果具有一定的提高，并部分成功用于實(shí)車，但針對(duì)提高影響駕駛員視野區(qū)域除霜效率的研究較少?；诖?，本文對(duì)某轎車駕駛室乘員艙離散化，利用CFD軟件模擬汽車擋風(fēng)玻璃的除霜性能。針對(duì)單吹風(fēng)口除霜?dú)饬鬟^(guò)于集中、除霜效率不高的問(wèn)題，提出優(yōu)化改進(jìn)措施，采用雙吹風(fēng)口型式，以A、B區(qū)的傳熱系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)。通過(guò)DOE方法選取20組樣本點(diǎn)，建立響應(yīng)面模型，采用遺傳算法對(duì)該模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋找最適合的吹風(fēng)角度，將優(yōu)化后的模型與仿真結(jié)果對(duì)比，得出最終除霜效果。

2　計(jì)算方法與CFD模型

2.1數(shù)學(xué)模型

除霜是指除霜送風(fēng)口射出溫度較高的氣流，通過(guò)對(duì)流換熱與玻璃的導(dǎo)熱使玻璃外表面的霜層融化的過(guò)程。乘員艙內(nèi)的流動(dòng)為不可壓縮流，RNGk-ε湍流模型通過(guò)修正湍流黏度考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況，能夠較好地模擬乘員艙內(nèi)的流動(dòng)。文中即采用該湍流模型，在壁面附近的粘性層中采用壁面函數(shù)法［9］。

針對(duì)霜層的融化過(guò)程，本文采用瞬態(tài)計(jì)算方式，瞬態(tài)計(jì)算時(shí)車內(nèi)流場(chǎng)的能量方程［10］如下：

把冰水混合層看作一種流體，根據(jù)固態(tài)溫度和液態(tài)溫度定義液相分?jǐn)?shù)來(lái)判定每個(gè)單元的相變狀況，玻璃外側(cè)的冰霜層采用如下能量方程：

2.2物理模型

本文采用的模型為某款轎車的乘員艙，考慮了座椅、內(nèi)飾等細(xì)節(jié)，并對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量影響較大的區(qū)域如儀表盤、方向盤做了適當(dāng)簡(jiǎn)化。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，將擋風(fēng)玻璃分為A、A'、B三塊區(qū)域，簡(jiǎn)化后的物理模型如圖1所示。

圖1　乘員艙物理模型

2.3網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

運(yùn)用ICEM對(duì)乘員艙內(nèi)空氣采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行離散，對(duì)A區(qū)和B區(qū)采用分區(qū)域劃分的方法，玻璃和霜層采用棱柱體網(wǎng)格劃分，總的網(wǎng)格單元數(shù)為129萬(wàn)個(gè)，其中乘員艙內(nèi)流體網(wǎng)格119萬(wàn)個(gè)，玻璃為四層棱柱體網(wǎng)格共1.08萬(wàn)個(gè)，霜層為五層棱柱體網(wǎng)格共1.36萬(wàn)個(gè)。劃分好的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2　全局網(wǎng)格和玻璃網(wǎng)格劃分

邊界條件設(shè)置：除霜送風(fēng)口設(shè)為速度入口邊界，速度大小為3.2 m/s；瞬態(tài)計(jì)算過(guò)程中送風(fēng)溫度為308 K；出風(fēng)口設(shè)為壓力出口，大小為0.1 MPa；其余邊界設(shè)為靜止壁面；空氣與玻璃、玻璃與霜層之間均為熱耦合邊界；將霜層視為一種流體［11］；定義了兩種流體材料和一種固體材料，分別為車內(nèi)空氣、冰霜層、玻璃，玻璃厚度4 mm，霜層厚度0.5 mm，其物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　空氣、冰霜層和玻璃的物理參數(shù)

3　計(jì)算結(jié)果分析及優(yōu)化改進(jìn)

3.1計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)CFD模擬分析，得到擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的流場(chǎng)跡線如圖3所示。由于吹風(fēng)口位于玻璃中間區(qū)域，氣流相對(duì)集中，而流經(jīng)對(duì)駕駛員視野影響較大的區(qū)域氣流較少，A區(qū)除霜緩慢，兩邊的霜層難以除盡，有必要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

研究對(duì)象為2011—2016年期間的鄭州市創(chuàng)新型城市建設(shè)情況，投入類指標(biāo)從人、財(cái)、物方面反映了規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的核心資源投入，產(chǎn)出類指標(biāo)從創(chuàng)新效果方面反映了規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的核心能力發(fā)展結(jié)果，所有指標(biāo)均為正向指標(biāo)。為了剔除物價(jià)變化影響，有關(guān)名義變量數(shù)值使用定基2010年的工業(yè)生產(chǎn)者出廠價(jià)格指數(shù)進(jìn)行平減以轉(zhuǎn)化為實(shí)際變量數(shù)值。在DEAP軟件中，選擇投入主導(dǎo)、規(guī)模報(bào)酬可變與多階段算法的DEA結(jié)果(見(jiàn)表2)。

圖3　擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的流場(chǎng)跡線圖

對(duì)單吹風(fēng)口型式擋風(fēng)玻璃的CFD結(jié)果分析后認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)A、B區(qū)的快速除霜，減少死角，可改用雙吹風(fēng)口型式。雙吹風(fēng)口的CFD流場(chǎng)跡線如圖4所示，流場(chǎng)與之前相比更加合理。

圖4　擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的流場(chǎng)跡線圖

3.2優(yōu)化目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量

與單一吹風(fēng)口不同，雙吹風(fēng)口型式的吹風(fēng)角度分為碰撞角和平面角。它們決定了氣流方向和沖擊點(diǎn)位置，碰撞角和平面角過(guò)大或過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致除霜?dú)饬髋c玻璃內(nèi)表面發(fā)生分離，存在最佳角度。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。圖5為碰撞角φ與平面角β的示意圖。

圖5　氣流碰撞角和平面角示意圖

由于汽車前擋風(fēng)玻璃A區(qū)和B區(qū)為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，因此，以A、B區(qū)的平均傳熱系數(shù)Ha、Hb為目標(biāo)函數(shù)，以碰撞角φ與平面角β為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化問(wèn)題描述如下：

式中：ω1、ω2為權(quán)重系數(shù)，由國(guó)標(biāo)GB11555-2009規(guī)定，A區(qū)應(yīng)優(yōu)先完成除霜，取權(quán)重系數(shù)分別為0.6、0.4。

對(duì)平面角和碰撞角采用DOE方法中的正交試驗(yàn)法確定20組設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)，導(dǎo)入CFD軟件求解器計(jì)算得出20組樣本值，將樣本值運(yùn)用最小二乘原理建立三階響應(yīng)面模型，即H關(guān)于φ和β的三次多項(xiàng)式。

建立響應(yīng)面模型后，對(duì)其擬合程度進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)方差分析中的決定參數(shù)R2檢驗(yàn)，用來(lái)評(píng)價(jià)構(gòu)建的近似模型與真實(shí)模型之間的誤差，定義如下：

P是設(shè)計(jì)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；i是自由度，其值為調(diào)整參數(shù)的個(gè)數(shù)減1；y、y 、y分別是響應(yīng)量的實(shí)測(cè)值、預(yù)測(cè)值以及響應(yīng)量實(shí)測(cè)值的平均值。如R2=1說(shuō)明近似模型與真實(shí)模型在每一個(gè)樣本點(diǎn)上均完全吻合，此處的R2=98.8% 和96.1%，均在90%以上?？梢?jiàn)三階響應(yīng)面模型可以精確地描述設(shè)計(jì)變量和響應(yīng)之間的關(guān)系。

3.4優(yōu)化分析

本文選用遺傳算法對(duì)建立的近似模型進(jìn)行尋優(yōu)，獲取近似模型的最優(yōu)解，將最優(yōu)解進(jìn)行CFD仿真分析，在獲得最優(yōu)解的同時(shí)提高優(yōu)化效率［12］。

設(shè)置初始種群個(gè)體數(shù)為30，進(jìn)化繁殖100代，最終得出模型最優(yōu)點(diǎn)φ=100.2°，β=14.9°。對(duì)最優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，得出的數(shù)值與近似模型得出的結(jié)果誤差在3%以內(nèi)，如表2所示。由于優(yōu)化權(quán)重不同，Ha、Hb優(yōu)化量不一致，優(yōu)化后A區(qū)的平均傳熱系數(shù)為13.46 W/m2·K，B區(qū)的平均傳熱系數(shù)為13.27 W/m2·K，與優(yōu)化前相比分別提高18.9%和5.1%，具體見(jiàn)表3。

表2　最優(yōu)點(diǎn)仿真值與近似模型響應(yīng)值對(duì)比

表3　優(yōu)化前后傳熱系數(shù)（W/m2·K）對(duì)比

霜層的平均液相率σavg=1/A∫ σdA，表示了全部霜層融化的比例。平均液相率等于1，說(shuō)明霜全部融化為液態(tài)水。圖6為優(yōu)化前后除霜過(guò)程中A、B區(qū)霜層的平均液相率隨時(shí)間的變化情況。由圖6可知，優(yōu)化前A、B區(qū)域霜層平均液相率達(dá)到0.9，即融化90%所需時(shí)間分別為1 200 s、1 350 s，優(yōu)化后分別為750 s、880 s，減少了450 s、470 s，除霜時(shí)間大大縮短。

圖6　優(yōu)化前后平均液相率隨時(shí)間的變化

圖7和圖8為優(yōu)化前后玻璃近壁面速度云圖和霜層的液態(tài)分布圖。從圖中可以看出，初始吹風(fēng)角度下氣流存在重疊區(qū)域，而玻璃兩側(cè)氣流較少，導(dǎo)致兩側(cè)除霜緩慢，A、B區(qū)除霜緩慢；優(yōu)化后氣流重點(diǎn)吹向A區(qū)和B區(qū)，減少了氣流重疊區(qū)域。除霜初始階段存在較大V型區(qū)域。隨著時(shí)間推移，逐漸消失，到 1 200 s時(shí)B區(qū)霜層基本融化，符合國(guó)標(biāo)規(guī)定。

圖7　優(yōu)化前后玻璃近壁面速度云圖

圖8　優(yōu)化前后不同時(shí)刻霜層的液態(tài)分布圖

4　結(jié)論

本文在分析了原有除霜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)除霜吹風(fēng)口進(jìn)行改進(jìn)，以吹風(fēng)角度為設(shè)計(jì)變量，建立近似模型進(jìn)行優(yōu)化，使擋風(fēng)玻璃的除霜性能得到明顯改善。具體結(jié)論如下：

1）雙吹風(fēng)口比單吹風(fēng)口的氣流分布合理，能提高A、B區(qū)的除霜效率，同時(shí)解決了除霜死角的問(wèn)題。

2）建立三階響應(yīng)面模型，采用遺傳算法對(duì)吹風(fēng)角度進(jìn)行優(yōu)化，在保證精度的同時(shí)節(jié)省了計(jì)算資源。通過(guò)優(yōu)化前后對(duì)比分析，A區(qū)和B區(qū)的傳熱系數(shù)分別提高了18.9%和5.1%。

3）將最優(yōu)角度應(yīng)用到除霜分析，A區(qū)和B區(qū)除霜90%所需時(shí)間分別減少了450 s、470 s，效果明顯。

［1］全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法：GB 11555－2009［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：9.

［2］鄧峰，谷正氣，楊易，等.汽車前風(fēng)窗玻璃除霜除霧數(shù)值模擬分析和研究［J］.汽車工程，2009，31（2）：175-179.

［3］張曉蘭，施俊業(yè)，陳江平.汽車擋風(fēng)玻璃除霜性能數(shù)值模擬［J］.汽車工程，2007，29（11）：1009-1013.

［4］董素艷.客車擋風(fēng)玻璃除霜性能試驗(yàn)與數(shù)值模擬［J］.系統(tǒng)仿真技術(shù)［J］.2011，7（3）：190-195.

［5］王俊，陳如意.汽車除霜系統(tǒng)性能CFD分析與試驗(yàn)［J］.汽車技術(shù)，2011，（4）：4-7.

［6］Robert A.Brewster，Steffen Frik and Frank Werner.ComputationalAnalysisof AutomotiveWindshieldDe-Icing with Comparison toTest Data［J］.SAE Paper 971833：469-483.

［7］Subrata Roy，Paresh Patel.Study of Heat Transfer for a Pair of RectangularJetsImpingingonanInclinedSurface［J］.International Journal ofHeat and Mass Transfer，2003，46：411-425.

［8］朱娟娟，蘇秀平，陳江平.汽車空調(diào)除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［J］.汽車工程，2004，26（6）：747-749.

［9］孟慶超，谷正氣，何憶斌.轎車室內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（7）：1700-1702.

［10］Haribalan Kumar，Subrata Roy.Improved De-icing of an Inclined Windshield Surface［J］，American Institute of Aeronautics and Astronautics Paper No.2005-0187.

［11］S.J.Kang，M.F.Kader，Y.D.Jun，et al.Automobile DefrostingSystem Analysis Through a Full-scale Model［J］.International Journal ofAutomotive Technology，2011，12（1）：39-44.

［12］韓瑞鋒.遺傳算法原理及應(yīng)用［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2010.

修改稿日期：2016-02-11

Numerical Simulation and Optimization of a Vehicle Windshield Defrosting Performance

TangZhuliang，Yuan Xiayi，PengLijuan，Chen Lin
（GACAutomotive EngineeringInstitute，Guangzhou 511434，China）

The authors use CFD method to simulate a vehicle windshield defrosting processes.Aiming at the problemwhich area Aofwindshield defrosts tooslowlybecause ofthe defrostingairflowofthe single outlet structure beingtooconcentrated，theyadopt the double outlet structure and establish its cubic surface response model.Then they take the jet impingement angles as design variables，take the heat transfer coefficient as objective function tooptimize the defrost system by use ofthe genetic algorithm.The results showthat the defrosting blind area is eliminated，and the defrostingefficiencyis improved.

computational fluid dynamics（CFD）；defrostingperformance；vehicle windshield

U461.1

B

1006-3331（2016）04-0049-04

湯柱良（1988-），男，研究方向：汽車空氣動(dòng)力學(xué)。