馬 凱，周 博

基于FLUENT的某大型客車(chē)前風(fēng)窗CFD除霜分析

馬 凱，周 博

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

以某大型客車(chē)為例，使用CATIA軟件創(chuàng)建幾何模型，運(yùn)用ANSA和FLUENT軟件完成模型的空間離散化，應(yīng)用FLUENT軟件進(jìn)行除霜過(guò)程的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)CFD分析，得到前風(fēng)窗霜層隨時(shí)間變化情況，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

除霜；FLUENT；客車(chē)前風(fēng)窗；CFD分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值模擬技術(shù)的深入,CFD仿真技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。汽車(chē)產(chǎn)品的改進(jìn)和開(kāi)發(fā)都伴隨著CFD仿真技術(shù)的指導(dǎo),它促進(jìn)了汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的縮短，降低了開(kāi)發(fā)成本[1-3]。在我國(guó)北方，尤其是東北地區(qū)，氣候寒冷，冬季時(shí)間長(zhǎng)，室外氣溫常在-20℃，有時(shí)可接近-30℃[4]。在這樣的環(huán)境下，要保證駕駛員在駕駛時(shí)具有良好的視野，進(jìn)而保證客車(chē)行駛的安全性，這就對(duì)客車(chē)的除霜系統(tǒng)性能提出了更高的要求。本文應(yīng)用ANSA軟件，對(duì)某客車(chē)乘員艙模型進(jìn)行幾何處理和面網(wǎng)格劃分，并使用FLUENT軟件對(duì)除霜過(guò)程進(jìn)行CFD分析，得到前風(fēng)窗霜層隨時(shí)間變化情況，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，為除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 分析過(guò)程

有別于轎車(chē)，客車(chē)的采暖系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的兩套系統(tǒng)。除霜系統(tǒng)與采暖系統(tǒng)是一個(gè)整體，除霜系統(tǒng)包括加熱器、水暖管路、除霜器、風(fēng)道、出風(fēng)口等結(jié)構(gòu)?？諝庠诔髦斜患訜岷?，由除霜器內(nèi)的風(fēng)機(jī)鼓出，經(jīng)過(guò)除霜風(fēng)道后從除霜出風(fēng)口處噴出。噴出的熱氣流加熱前風(fēng)窗的內(nèi)表面，通過(guò)熱傳導(dǎo)融化玻璃外表面形成的霜層，從而達(dá)到除霜的作用。

1.1 模型處理

要進(jìn)行CFD除霜分析就要保證空氣域是一個(gè)單連通的封閉區(qū)域，在ANSA中將簡(jiǎn)化的幾何模型用CATIA創(chuàng)建進(jìn)行封閉處理[5]?？蛙?chē)車(chē)身長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但一般不選取全部車(chē)長(zhǎng)作為計(jì)算域，這樣既會(huì)大大減少工作量和計(jì)算機(jī)負(fù)荷，也會(huì)大大減少計(jì)算時(shí)間，而對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度影響不大。當(dāng)然，計(jì)算域的選取長(zhǎng)度也不宜過(guò)短，否則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果精度大大降低。因此，幾何模型計(jì)算域的選取對(duì)整個(gè)除霜仿真計(jì)算起著重要作用。本文中車(chē)長(zhǎng)為12 m，選取的計(jì)算域?yàn)? m。本文將某大型客車(chē)模型進(jìn)行幾何處理后得到一個(gè)單連通的封閉區(qū)域，如圖1所示。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，本次前風(fēng)窗視野區(qū)劃分如圖2所示。

圖1 簡(jiǎn)化模型空氣域

圖2 前風(fēng)窗視野劃分

1.2 網(wǎng)格生成

運(yùn)用ANSA軟件將處理好的某大型客車(chē)模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，要求無(wú)自由邊和T形鏈接。針對(duì)需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的部位，如除霜風(fēng)道、除霜噴射口、前風(fēng)窗等部分網(wǎng)格要進(jìn)行加密處理。

隨后將得到的面網(wǎng)格導(dǎo)入到FLUENT軟件中對(duì)面網(wǎng)格進(jìn)行生成體網(wǎng)格操作，生成四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格約200萬(wàn)個(gè)。由于要模擬瞬態(tài)分析時(shí)玻璃層外側(cè)的霜層融化情況，這里還要根據(jù)實(shí)際情況和標(biāo)準(zhǔn)要求，分別在得到的空氣域的前風(fēng)窗處拉伸出玻璃層和霜層。本文中拉伸8層共8 mm厚的體網(wǎng)格作為玻璃層，在玻璃層外側(cè)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求拉伸出4層共0.44 mm厚作為霜層。除霜出風(fēng)口格柵處及計(jì)算域網(wǎng)格分別如圖3和圖4所示。

圖3 除霜出風(fēng)口格柵處網(wǎng)格

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格

1.3 邊界條件等設(shè)置

模型選用除霜風(fēng)道的進(jìn)口作為速度入口，穩(wěn)態(tài)分析給定速度，瞬態(tài)分析給定速度和溫度。玻璃壁面選用熱對(duì)流邊界，外界溫度選為-18℃，其余壁面采用絕熱邊界。出口選為壓力出口，大小為一個(gè)大氣壓。

湍流模型選用Realizable k-ε模型，二階離散精度。Realizable k-ε模型相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型做了兩個(gè)主要的改變，即湍流粘性增加了一個(gè)公式和為耗散率增加了新的傳輸方程。因此Realizable k-ε模型對(duì)于射流的發(fā)散比率有更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)[6-9]。

初始化及穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)計(jì)算域溫度設(shè)為-18℃，采用標(biāo)準(zhǔn)初始化方法進(jìn)行初始化。瞬態(tài)分析時(shí)間為1 800 s（30 min），溫度隨時(shí)間變化情況可通過(guò)tab文件或者udf曲線(xiàn)導(dǎo)入。時(shí)間步長(zhǎng)取5 s，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的最大迭代步數(shù)為30步，每60 s(1 min)輸出一張前風(fēng)窗霜層融化效果圖。

2 結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)態(tài)分析

通過(guò)穩(wěn)態(tài)計(jì)算，得到了整個(gè)計(jì)算域的流場(chǎng)分布，包括壓力、速度等參數(shù)的分布。為便于分析，這里給出一些典型位置及參數(shù)的流場(chǎng)結(jié)果。圖5為各除霜出風(fēng)口風(fēng)量分配情況，從圖5中可以看出各出風(fēng)口的風(fēng)量分配不夠均勻，尤其在駕駛員側(cè)視野區(qū)的出風(fēng)口2、3風(fēng)量較少。圖6為氣流跡線(xiàn)圖，它顯示了氣流在計(jì)算域內(nèi)的流動(dòng)情況，從圖6中可以看出,氣流幾乎全部順著玻璃向上流動(dòng)，未產(chǎn)生大的渦旋，這對(duì)提升除霜效果是有利的。但出風(fēng)口3、4及7、8之間有較大的間隙，不利于霜層的均勻融化。如圖7為Iso-Surface 2 m/s等速面，通常認(rèn)為穩(wěn)態(tài)風(fēng)速大于2 m/s的區(qū)域除霜效果較好[10]，從圖7中可以看出，2 m/s等速面所覆蓋的面積較小，高度不夠，會(huì)影響除霜效果。

圖5 各出風(fēng)口風(fēng)量分配

圖6 氣流穩(wěn)態(tài)跡線(xiàn)圖

圖7 Iso-Surface 2 m/s等速面

2.2 瞬態(tài)分析

通過(guò)瞬態(tài)分析，得出前風(fēng)窗溫度分布情況及前風(fēng)窗外側(cè)霜層融化效果，分別如圖8和圖9所示。從圖8中可以看出，氣流射到前風(fēng)窗上的溫度略低，且范圍不夠大，難以保證良好的除霜效果。通過(guò)環(huán)境艙進(jìn)行實(shí)際除霜試驗(yàn)得到的前風(fēng)窗霜層融化結(jié)果如圖10所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，CFD瞬態(tài)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較一致。CFD分析和試驗(yàn)結(jié)果均顯示，在30 min結(jié)束時(shí)，除霜系統(tǒng)未能夠?qū)⒁曇皡^(qū)C區(qū)99%以上、視野區(qū)A區(qū)90%以上面積的霜層除去，不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求[11]。

總體來(lái)看，要保證良好的除霜效果，后續(xù)須對(duì)除霜系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，包括增大風(fēng)量，提高溫度，改善各出風(fēng)口風(fēng)量的均勻性，使得除霜效果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求[12]。

圖8 前風(fēng)窗溫度分布

圖9 前風(fēng)窗霜層融化效果圖

圖10 除霜試驗(yàn)中前風(fēng)窗霜層融化情況

3 結(jié) 論

通過(guò)ANSA軟件與FLUENT軟件相結(jié)合的CFD仿真方法，能夠模擬除霜試驗(yàn)中前風(fēng)窗霜層的融化過(guò)程。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期，該方法能夠?qū)χ笇?dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)并為確定最優(yōu)方案提供重要參考，縮短研發(fā)周期。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中后期能夠?qū)Τ到y(tǒng)中的風(fēng)道、出風(fēng)格柵等結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，大大降低研發(fā)成本。

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CFD Defrosting Analysis of a Coach Front Windshield Based on FLUENT

Ma Kai,Zhou Bo
（R&D Center，China FAW Co.，Ltd，Changchun 130011，China）

Taking a large coach as an example,the authors create the geometric model by the CATIA software and discretize the model space by the ANSA and FLUENT software.Then they performe the steady and transient CFD simulation of the defrosting processes by the FLUENT software,get the changing situation of the frost layer on the front windshield with time,and compare the simulation result with the experimental result.

defrosting;FLUENT;coach front windshield;CFD analysis

U463.83+5

B

1006-3331（2017）05-0035-03

馬 凱（1990-），男，工程師；車(chē)身設(shè)計(jì)師；主要從事客車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)及研發(fā)工作。

修改稿日期:2017-04-10