楊曦明

摘 要：文章以某越野車(chē)特種駕駛室除霧風(fēng)道為研究對(duì)象，對(duì)正向開(kāi)發(fā)過(guò)程中的各個(gè)階段進(jìn)行研究。探討了除霧系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面開(kāi)發(fā)過(guò)程中的方法，并對(duì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。其主要包括前除霧風(fēng)管的設(shè)計(jì)、除霧風(fēng)道的CFD分析、除霧風(fēng)道的優(yōu)化、除霧結(jié)果分析、快速樣件風(fēng)速測(cè)量、除霧試驗(yàn)。此次除霧系統(tǒng)正向開(kāi)發(fā)事例，為后續(xù)車(chē)輛的除霧系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了可借鑒的理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)范例、仿真研究、試驗(yàn)驗(yàn)證方法，使其能滿足一般汽車(chē)的除霧性能要求，減少其開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)；除霧；風(fēng)道設(shè)計(jì)；CFD

中圖分類(lèi)號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）12-51-04

Abstract： In this paper， the research object of demist duct about an off-road vehicle cab is studied in all stages of the positive development process. Demist system is discussed the following aspects in the process of development methods， and to summarize development experience， mainly including former demist duct design， in addition the CFD analysis of demist duct， the optimization of mist duct， the mist analysis results， wind speed measurement results of rapid sample， the demist test. Through this positive development examples of demist system， the development of the demist system can be drawn lessons from the basic theory， the design theory， simulation and test verification method， satisfied with the requirement of automobile demist regulations. and it reduces the development time and development costs.

Keywords： Automobile； Defogging； Air duct design； CFD

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-51-04

前言

汽車(chē)在寒冷或潮濕環(huán)境下行駛時(shí)，駕駛室內(nèi)乘員呼吸出和體表蒸發(fā)的水蒸氣，遇到前風(fēng)窗和車(chē)門(mén)窗玻璃，受冷凝結(jié)成小水滴，吸附到玻璃上，在風(fēng)窗玻璃的內(nèi)表面上形成一層不均勻的薄霧。這影響駕駛員觀察路況的視線，嚴(yán)重威脅駕乘人員的安全。駕駛室風(fēng)窗玻璃起霧，冬季在我國(guó)北方，特別是東北、內(nèi)蒙、新疆等高寒地區(qū)尤為明顯；夏季在我國(guó)南方，特別是廣東、福建、云南等高濕地區(qū)尤為明顯。

1994年國(guó)家出臺(tái)了針對(duì)除霧性能的強(qiáng)制檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)——GB11555-1994，《汽車(chē)風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能要求及試驗(yàn)方法》（現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)已更新到GB11555-2009）[1]。它要求每輛汽車(chē)應(yīng)裝備除霧系統(tǒng)，能夠確保在潮濕天氣條件下恢復(fù)風(fēng)窗玻璃的能見(jiàn)度。具體要求如下：在10分鐘內(nèi)，汽車(chē)玻璃A區(qū)90%完成除霧，B區(qū)80%完成除霧。

1 前除霧風(fēng)管的設(shè)計(jì)

1.1 前除霧區(qū)域的定義

車(chē)輛的除霧區(qū)域，根據(jù)GB11562-2014《汽車(chē)駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法》[2]進(jìn)行確定A區(qū)和B區(qū)。A'區(qū)和B'區(qū)是以汽車(chē)縱向中心平面為基準(zhǔn)面，與A區(qū)和B區(qū)相對(duì)稱(chēng)的區(qū)域。A區(qū)、B區(qū)、A'區(qū)、B'區(qū)即該車(chē)輛所須的除霧區(qū)域。 本車(chē)的除霧區(qū)域見(jiàn)圖1。

1.2 前除霧出風(fēng)口數(shù)量

前風(fēng)擋玻璃為兩塊玻璃，單個(gè)玻璃的長(zhǎng)寬比接近2：1，為保證除霧風(fēng)口除霧時(shí)形成的風(fēng)幕能完整的覆蓋每塊玻璃主要區(qū)域，前除霧出風(fēng)口在每塊玻璃下面需布置兩個(gè)風(fēng)道，每個(gè)風(fēng)道有兩個(gè)出風(fēng)口，共8個(gè)出風(fēng)口。如圖2、圖3：

1.3 前除霧風(fēng)管設(shè)計(jì)要素

1.3.1 前除霧風(fēng)管的中心與前風(fēng)擋玻璃的距離受造型影響為50mm左右，通過(guò)查表（見(jiàn)表1）[3]，最后選擇前除霧風(fēng)管的出風(fēng)方向與前風(fēng)擋玻璃的夾角30°左右。

1.3.2 為減少氣流損失，前除霧風(fēng)管兩側(cè)的設(shè)計(jì)角度為30°、45°、60°，都不大于60°。[4]

1.3.3 風(fēng)管的寬度為300mm左右，滿足200mm-400mm的區(qū)間。

1.3.4 風(fēng)管的寬度/高度=3，滿足≥1.75的需求。

1.3.5 風(fēng)管之間的盲區(qū)為65mm、105mm、145mm，均小于200mm。

1.3.6 風(fēng)道盡可能圓整，避免風(fēng)道斷面的突變。

1.3.7 風(fēng)道入口截面面積和出風(fēng)口截面面積盡可能相近。

1.4 前除霧風(fēng)管三維數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

除霧風(fēng)道在設(shè)計(jì)時(shí)，由于受儀表板空間的嚴(yán)格限制，會(huì)因各種避讓增大風(fēng)阻。在遵循風(fēng)道的設(shè)計(jì)要素下，設(shè)計(jì)風(fēng)道三維數(shù)據(jù)如下：

2 除霧風(fēng)道的CFD分析

2.1 幾何模型

本文車(chē)型的除霧風(fēng)道是在CATIA V5 R19的平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。幾何模型完全保留了實(shí)際構(gòu)建的幾何特征，但為方便除霧計(jì)算，一些細(xì)小的幾何特征將被忽略，例如管道的弧形倒角將按照硬性直線倒角對(duì)待。

網(wǎng)格劃分是運(yùn)用HyperMesh完成，對(duì)于復(fù)雜的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，主要采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在風(fēng)道、風(fēng)窗玻璃內(nèi)表面及儀表盤(pán)表層布置有3層邊界層（見(jiàn)圖4）。網(wǎng)格類(lèi)型為Polyhedral Mesher和Prism Layer Mesher。

除霧系統(tǒng)是主要以管道流動(dòng)配合除霧模型的三維瞬態(tài)流場(chǎng)分析，通過(guò)STAR CCM+軟件采用有限體積方法離散流場(chǎng)求解N-S方程。對(duì)熱源的模擬采用流體域施加能量源項(xiàng)的處理方法進(jìn)行處理。

除霧風(fēng)道總計(jì)有四個(gè)出風(fēng)箱outlet1、outlet2、outlet3、outlet4，每個(gè)出風(fēng)箱又分為左右兩部分，從左至右分別命名為outlet1R，outlet1L，outlet2R，outlet2L，outlet3R，outlet3L，outlet4R，outlet4L，如圖4所示。其中outlet1R，outlet1L，outlet4R，outlet4L每個(gè)有12個(gè)出口。

2.2 計(jì)算模型及邊界條件

選取穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，湍流模型選取Realizable K-Epsilon模型。風(fēng)道本體為無(wú)滑移壁面。

除霧風(fēng)道入口為流量入口，出口為Pressure Outlet。

除霧器流量為900m3/h，功率6000W（發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水水溫80℃），出風(fēng)相對(duì)濕度96%。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

從圖5 流線圖中可以看出出風(fēng)箱outlet4出風(fēng)不暢，在右部有較大回流區(qū)域，導(dǎo)致outlet4R出風(fēng)量相對(duì)于outlet4L明顯偏小。圖6展示了各個(gè)出口截面的速度分布?？梢钥闯?，outlet4R出口平均速度最低。

各個(gè)出口出風(fēng)量及所占比例見(jiàn)表2。其中項(xiàng)目占比指的是各個(gè)出口出風(fēng)量占總出風(fēng)量的比例。從表2可以看出，outlet4出風(fēng)量最大，outlet1出風(fēng)量最小。四個(gè)出風(fēng)箱出風(fēng)量比較平均，但是outlet4左右兩部分出風(fēng)分配極不均勻。

3 除霧風(fēng)道的優(yōu)化

3.1 幾何模型

鑒于四個(gè)出風(fēng)箱出風(fēng)量比較平均，僅出風(fēng)箱4左右兩部分出風(fēng)極不均勻，優(yōu)化主要針對(duì)出風(fēng)箱4進(jìn)行。由于周邊部件的限制及安裝需求，對(duì)出風(fēng)箱4做了以下四個(gè)方案（見(jiàn)圖7）。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

四種模型的各個(gè)出口出風(fēng)量及占比見(jiàn)表3?？梢钥闯?，每種模型四個(gè)出口的出風(fēng)量分配都比較均勻，但只有Model4的出風(fēng)箱4左右兩部分出風(fēng)量比較均勻，符合設(shè)計(jì)要求。

4 除霧結(jié)果分析

風(fēng)量設(shè)計(jì)標(biāo)稱(chēng)風(fēng)量為900m3/h，霧層厚度0.015mm。從圖5可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)10分鐘后霧層在風(fēng)窗玻璃A區(qū)完全消除，B區(qū)雖有10%的霧層還沒(méi)有消除，但符合法規(guī)要求。見(jiàn)附圖9、圖10。

故該除霧系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

5 快速樣件風(fēng)速測(cè)量結(jié)果

5.1 試驗(yàn)方案

5.2 測(cè)量位置見(jiàn)圖11、圖12

5.3 測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表5

5.4 結(jié)果分析

從表5中可以看出除霧風(fēng)口的風(fēng)速基本均勻，風(fēng)幕可以覆蓋整個(gè)玻璃，滿足設(shè)計(jì)需求。

6 除霧試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)條件

依照GB11555-2009對(duì)整車(chē)進(jìn)行除霧試驗(yàn)考核。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

10分鐘后，除霧面積輪廓圖見(jiàn)圖13、圖14。

6.3 試驗(yàn)結(jié)果及評(píng)定

繪制駕駛員和副駕駛員側(cè)的除霧面積輪廓圖，計(jì)算面積值和所占風(fēng)窗玻璃總面積的百分比。數(shù)據(jù)結(jié)果按GB/T 8170-2008《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示與判定》要求分別修約到1位小數(shù)。

汽車(chē)玻璃A區(qū)100%完成除霧，B區(qū)≧95%完成除霧。滿足法規(guī)要求：在10分鐘內(nèi)，汽車(chē)玻璃A區(qū)90%完成除霧，B區(qū)80%完成除霧。除霧試驗(yàn)合格。

7 結(jié)論

本文通過(guò)一款越野汽車(chē)的特種駕駛室除霧系統(tǒng)的正向開(kāi)發(fā)，闡明前除霧風(fēng)道的一般開(kāi)發(fā)過(guò)程和須注意事項(xiàng)。首先通過(guò)產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)，使調(diào)整除霧風(fēng)口的布置位置和除霧風(fēng)管的走向，實(shí)現(xiàn)可視化和參數(shù)化，并能充分利用其它功能件剩余的內(nèi)部空間。其次通過(guò)除霧風(fēng)道的CFD分析，調(diào)整風(fēng)道風(fēng)量分配，優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。然后除霧風(fēng)道在整個(gè)駕駛空間內(nèi)運(yùn)行的CFD分析，驗(yàn)證除霧效果。最后通快速樣件的實(shí)物驗(yàn)證，確保產(chǎn)品開(kāi)發(fā)符合設(shè)計(jì)需求，減少風(fēng)道的模具更改費(fèi)用。通過(guò)以上分階段過(guò)程的嚴(yán)格把控，確保了后續(xù)整車(chē)除霧試驗(yàn)一次性驗(yàn)證成功。

上述方法是對(duì)特種車(chē)輛前除霧風(fēng)管的以往經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)依照此方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅減少方案修改次數(shù)，降低開(kāi)發(fā)成本，并且縮短研發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)

[1] GBll555-2009汽車(chē)風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法.

[2] GB11562-2014汽車(chē)駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法.

[3] 何明，郭華梅，徐波.HNSAE11039淺談前除霧風(fēng)管的設(shè)計(jì).河南省汽車(chē)工程學(xué)會(huì)第八屆科研學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.p72-74.

[4] 何小飛.汽車(chē)風(fēng)道的設(shè)計(jì).汽車(chē)工程師.2012第8期.p31-32.