基于CFD的某輕客車型除霜性能提升

王海萍，崔建維

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于CFD的某輕客車型除霜性能提升

王海萍，崔建維

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對某輕客車型空調(diào)除霜性能不達(dá)標(biāo)問題，為了解決除霜風(fēng)道氣流分配不均勻，利用CFD仿真數(shù)值分析的方法，通過對除霜風(fēng)道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到改善整車除霜性能的目標(biāo)。

空調(diào)系統(tǒng)；除霜系統(tǒng)；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）；試驗(yàn)

汽車風(fēng)窗玻璃的除霜性能是涉及汽車安全設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接關(guān)系到駕駛員的行駛安全性，改善整車除霜性能是一項(xiàng)十分重要的工作，目前國標(biāo)只針對M1類車型除霜性能有明確的要求。當(dāng)前國內(nèi)輕客車型基本采用的除霜系統(tǒng)大都是水暖制熱式汽車空調(diào)系統(tǒng)。整車乘員艙空間較轎車來說相對較大，同時(shí)對于匹配柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輕客車型來說，由于發(fā)動(dòng)機(jī)水溫較汽油機(jī)相對較低的因素，達(dá)成整車除霜性能很有難度，除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)的優(yōu)劣體現(xiàn)得更為重要。該輕客車型除霜風(fēng)道性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用了CFD數(shù)值分析手段，解決了除霜風(fēng)道氣流分配不均勻的問題，達(dá)成了最終優(yōu)化除霜性能的目標(biāo)。

1 CFD分析與研究

1.1 除霜性能現(xiàn)狀描述

國標(biāo)《GB／T 11555汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》中規(guī)定的除霜性能指標(biāo)只針對于M1類車型，本文所述的輕客車型非M1類車型，所以本文所述的輕客車型除霜性能指標(biāo)依據(jù)本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q／JQ 8108商用車空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)窗玻璃除霜性能要求》的要求執(zhí)行。表1為該輕客車型2012年的寒帶試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該試驗(yàn)結(jié)果與目標(biāo)性能差距較大，有待改善。圖1為該輕客車型前擋風(fēng)玻璃風(fēng)霜除霜比例效果圖。

表1 -18±3℃除霜試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 原因初步分析

汽車除霜風(fēng)道的設(shè)計(jì)中，比較重要的參數(shù)是氣流沖撞角度和氣流在玻璃表面分布的速度?？梢酝ㄟ^優(yōu)化風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)該目的。

1.2.1 前擋風(fēng)玻璃表面速度分布1

通過CFD分析，提取前擋風(fēng)玻璃表面速度場分布，可以反映出氣流的流向和擴(kuò)散趨勢。圖2分別表示1m／s、2 m／s、3 m／s的風(fēng)速在前擋風(fēng)玻璃上的分布情況，左側(cè)表示的是A′區(qū)，右側(cè)表示的是A區(qū)。

從分析結(jié)果來看，可以得出以下結(jié)論：1m／s的氣流能夠覆蓋整個(gè)A區(qū)和A′區(qū)以及B區(qū)的90%，但是玻璃底部左、右兩側(cè)均存在缺流斷層的區(qū)域；2m／s的氣流不能夠完全覆蓋A區(qū)和A′區(qū)，玻璃底部左、右兩側(cè)的缺流斷層區(qū)域面積增加；3 m／s的氣流分布更加不均勻、呈現(xiàn)柱狀的分布，覆蓋面積進(jìn)一步減少。

初步判斷由于除霜風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，導(dǎo)致除霜?dú)饬髯矒魮躏L(fēng)玻璃后不能夠均勻散開，氣流不能很好地附著于玻璃表面。

1.2.2 側(cè)除霜玻璃表面速度分布

通過CFD分析，對除霜玻璃表面速度分布進(jìn)行確認(rèn)。圖3分別表示1m／s、2m／s、3m／s的風(fēng)速在側(cè)除霜玻璃上的分布情況，其中第1行表示的是駕駛側(cè)除霜玻璃，第2行表示的是副駕駛側(cè)除霜玻璃。

從分析結(jié)果來看，1 m／s和2 m／s的氣流可以覆蓋側(cè)除霜玻璃視覺的核心區(qū)域，但是從3m／s的氣流分布可以看出側(cè)除霜?dú)饬髋c玻璃的撞擊點(diǎn)偏低，同時(shí)駕駛側(cè)的速度分布情況比副駕駛略差。

1.2.3 前擋風(fēng)除霜流線

進(jìn)一步利用CFD分析，對前擋風(fēng)、側(cè)除霜玻璃的除霜流線分布進(jìn)行確認(rèn)，與之前的速度場分布結(jié)論一致，除霜風(fēng)道內(nèi)部的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)需優(yōu)化。圖4為前擋風(fēng)除霜流線，圖5為側(cè)除霜流線。

1.3 風(fēng)道優(yōu)化分析

經(jīng)過之前速度場和流線圖的分析可以看出，氣流在擋風(fēng)玻璃和側(cè)除霜玻璃上的速度分布需要改進(jìn)，這就需要對除霜風(fēng)道進(jìn)行進(jìn)一步的分析，以確定具體的整改措施。

1.3.1 主除霜風(fēng)道分析

對主除霜風(fēng)道的出風(fēng)口速度場分布進(jìn)行分析，由圖6可以明確看出風(fēng)口的速度分布不均勻。

進(jìn)一步進(jìn)行主除霜風(fēng)道內(nèi)部氣流流線確認(rèn)，從圖7可以確認(rèn)風(fēng)道出風(fēng)口的速度分布不均勻，是由于風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，需要對風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來解決該問題。

1.4 風(fēng)道優(yōu)化方案

基于以上的分析，對影響除霜性能的幾個(gè)主要風(fēng)道部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.4.1 主除霜優(yōu)化

對主除霜風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，圖8為原型和優(yōu)化后的內(nèi)部導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)圖。

通過導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以減小風(fēng)阻，提高氣流與擋風(fēng)玻璃的貼合效果。

1.4.2 側(cè)除霜優(yōu)化

對側(cè)除霜的優(yōu)化主要是修改了側(cè)除霜出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)，圖9為原型和優(yōu)化后的側(cè)除霜出風(fēng)口結(jié)構(gòu)圖。

減少格柵數(shù)量，降低風(fēng)阻，延長格柵長度，提高對氣流的向?qū)芰?，將格柵的角度向上調(diào)整17°，抬高撞擊點(diǎn)。

2 效果驗(yàn)證

2.1 CFD分析驗(yàn)證

2.1.1 前擋風(fēng)玻璃表面速度分布

提取優(yōu)化后的前擋風(fēng)玻璃表面速度分布數(shù)據(jù)，圖10分別表示1m／s、2m／s、3m／s的風(fēng)速在前擋風(fēng)玻璃上的分布情況，圖10中左側(cè)表示的是A′區(qū)，右側(cè)表示的是A區(qū)。從分析結(jié)果來看，優(yōu)化后的氣流分布有明顯的改善。

2.1.2 側(cè)除霜玻璃表面速度分布

提取優(yōu)化后的側(cè)除霜玻璃表面速度分布數(shù)據(jù)，圖11分別表示1m／s、2m／s、3m／s的風(fēng)速在側(cè)除霜玻璃上的分布情況，其中第1行表示的是駕駛側(cè)除霜玻璃，第2行表示的是副駕駛側(cè)除霜玻璃。從分析結(jié)果來看，優(yōu)化后的氣流分布有明顯的改善。

2.2 寒帶試驗(yàn)驗(yàn)證

對于整改方案，進(jìn)行寒帶試驗(yàn)驗(yàn)證，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖12分別表示前除霜、側(cè)除霜玻璃除霜比例效果圖。

表2 -18±3℃除霜試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)結(jié)果可以清晰看到，主除霜的試驗(yàn)效果已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目標(biāo)設(shè)定，雖然側(cè)窗除霜未完全除盡，但是不影響駕駛員觀察后視鏡。

3 結(jié)論

前期整車除霜性能不達(dá)標(biāo)時(shí)，對除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程大都依賴設(shè)計(jì)過程的數(shù)據(jù)測試和經(jīng)驗(yàn)的積累，對風(fēng)道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，再通過一輪一輪的環(huán)模試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證其有效性。本次輕客除霜風(fēng)道的優(yōu)化中，運(yùn)用CFD技術(shù)對除霜風(fēng)道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以大大縮短整改周期、試驗(yàn)次數(shù)，最終通過寒帶試驗(yàn)的驗(yàn)證，該車的除霜性能已能滿足要求。

［1］王俊，陳如意.汽車除霜系統(tǒng)性能CFD分析與試驗(yàn)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［2］張曉蘭，陳江平.汽車空調(diào)除霜風(fēng)道的數(shù)值優(yōu)化［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.

（編輯 楊景）

The CFD Analysis and Solution of Defrost System Based on a Light Bus

WANG Hai-ping，CUI Jian-wei
（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

This article discusses defrost system performance of a light bus.CFD method are used to modify the structure of defrost duct for its unsatisfactory performance due to uneven air distribution.Through the structure optimization of defrost duct，the objective of improving defrost performance has been achieved.

air-conditioning；defrost system；computational fluid dynamics；test

U463.851

A

1003－8639（2016）04－0054－04

2015-05-18；

2015-05-27

王海萍（1986-），女，工程師，從事汽車空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)工作；崔建維（1987-），男，助理工程師，從事汽車空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)工作。