出風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)汽車除霜性能的影響分析?

李 明，李國(guó)迪，趙衛(wèi)兵，王 淼

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025； 2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130025；3.一汽法雷奧汽車空調(diào)有限公司技術(shù)部，長(zhǎng)春 130000； 4.一汽轎車股份有限公司動(dòng)力總成科，長(zhǎng)春 130012)

前言

快速、高效除霜對(duì)于減少電動(dòng)汽車電池能量消耗和延長(zhǎng)續(xù)駛里程至關(guān)重要。汽車空調(diào)除霜風(fēng)道的結(jié)構(gòu)特征將直接影響空調(diào)出風(fēng)口的風(fēng)量分配，車內(nèi)溫濕度場(chǎng)，尤其是出風(fēng)格柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)嚴(yán)重影響除霜效率[1-4]。

文獻(xiàn)[5]中通過(guò)在格柵左右兩側(cè)各增加一個(gè)小格柵增大出風(fēng)量的方式對(duì)除霜效果進(jìn)行優(yōu)化。_文獻(xiàn)[6]中建立了三維乘員艙模型并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析預(yù)測(cè)了乘員艙和風(fēng)窗玻璃表面流體流動(dòng)、速度分布、溫度分布和融霜模式。文獻(xiàn)[7]中通過(guò)改進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu)增加主出風(fēng)口風(fēng)量配送，縮短了風(fēng)窗玻璃除霜時(shí)間。文獻(xiàn)[8]中利用CFD方法建立汽車除霜性能動(dòng)態(tài)模型，并量化了除霜器在風(fēng)窗玻璃附近的氣流速度場(chǎng)。文獻(xiàn)[9]中對(duì)數(shù)值模擬中網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量對(duì)除霜仿真結(jié)果可靠性的影響進(jìn)行了研究。以上這些研究均證實(shí)了采用CFD分析結(jié)果的可靠性以及風(fēng)道和格柵結(jié)構(gòu)對(duì)于除霜時(shí)間有重要影響。然而，以上文獻(xiàn)未對(duì)最優(yōu)碰撞角Φ和不同出風(fēng)溫度曲線下最優(yōu)碰撞角Φ的除霜效果進(jìn)行探討。

在某款車型開發(fā)過(guò)程中，采用CFD與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，探討了汽車空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)特征對(duì)整車除霜性能的影響，特別是出風(fēng)格柵相對(duì)風(fēng)窗玻璃的碰撞角Φ對(duì)除霜效果的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證理論改進(jìn)的有效性，總結(jié)了格柵特征參數(shù)對(duì)汽車空調(diào)的除霜效率影響特性，在不同溫升曲線下探討改進(jìn)后風(fēng)道的除霜效果。

1 CFD物理模型與邊界條件

1.1 除霜區(qū)域劃分

圖1為風(fēng)窗玻璃模型示意圖，其中A區(qū)是駕駛員側(cè)對(duì)應(yīng)的區(qū)域，是需要最快除霜的區(qū)域以保證駕駛員前方視野清晰。A′區(qū)是副駕駛側(cè)對(duì)應(yīng)的區(qū)域，最終的除霜效果要求使整個(gè)風(fēng)窗玻璃完全無(wú)霜[10]。

圖1 風(fēng)窗玻璃模型示意圖

不同國(guó)家、不同汽車制造商都有自己的除霜除霧的定義和具體要求。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11555—2009對(duì)除霜的定義見表1。

表1 除霜性能國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

1.2 除霜過(guò)程分析

除霜過(guò)程中，將加熱后的空氣通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)吹入風(fēng)道中，經(jīng)過(guò)風(fēng)道對(duì)風(fēng)量進(jìn)行配送，通過(guò)主格柵和兩側(cè)格柵吹到風(fēng)窗玻璃表面，提高其溫度，進(jìn)行除霜?？蓪⑺獙幼兓暈榱黧w來(lái)分析，以液相率σ作為表征霜層變化的參數(shù)，即

式中:tice為霜層溫度，℃；tS為固相溫度，℃；tL為液相溫度，℃。

從傳熱學(xué)角度分析除霜過(guò)程，包括通過(guò)風(fēng)道出風(fēng)口的熱風(fēng)與玻璃的對(duì)流換熱和導(dǎo)熱、被加熱玻璃對(duì)霜層進(jìn)行的導(dǎo)熱和霜層與周圍環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱等一系列傳熱過(guò)程。以A區(qū)為例，如圖2所示，參考文獻(xiàn)[12]中的公式，霜層吸收的熱量Q為

式中:λg為風(fēng)窗玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；L為風(fēng)窗玻璃厚度，m；t為除霜時(shí)間，s；S1為霜層與風(fēng)窗玻璃接觸面的面積，其余 S2，S3，S4，S5和 S6為霜層與周圍空氣的接觸面積，m2；h為霜層與空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)；tτ為玻璃表面溫度，℃，tτ為時(shí)間τ的函數(shù)；tair為空氣溫度，℃。根據(jù)汽車除霜除霧實(shí)驗(yàn)相關(guān)國(guó)標(biāo)GB11555—2009規(guī)定，一般設(shè)定tair為-20℃。

圖2 A區(qū)霜層簡(jiǎn)化模型

1.3 物理模型的建立

所用的乘員艙物理模型見圖3，由風(fēng)道、格柵以及汽車駕駛艙組成。網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量對(duì)CFD仿真的精度有重要的影響，在STAR-CCM+中，采用網(wǎng)格生成器生成多面體網(wǎng)格，采用包面處理器對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)。為保證CFD仿真的精確性，風(fēng)窗玻璃處的網(wǎng)格尺寸應(yīng)盡可能小，對(duì)風(fēng)道、格柵、風(fēng)窗玻璃和兩側(cè)玻璃能觀察到后視鏡的部分局部加密，采用2.5mm的網(wǎng)格，其它區(qū)域采用10mm網(wǎng)格，既保證了仿真的精確度，又減少了計(jì)算時(shí)間。模型先生成面網(wǎng)格，再生成體網(wǎng)格，最終體網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)6百萬(wàn)。求解器中，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1s；內(nèi)部迭代為5次；最大時(shí)間步2 000步。為提高仿真效率，減少仿真時(shí)間，先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，然后再將物理模型改為隱式不定常模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。

圖3 乘員艙網(wǎng)格模型

風(fēng)道模型如圖4所示，底部為進(jìn)風(fēng)口，上部有4個(gè)出風(fēng)口，其中中間兩個(gè)(中左出風(fēng)口和中右出風(fēng)口)為主出風(fēng)口，用于風(fēng)窗玻璃的除霜；兩側(cè)(左出風(fēng)口和右出風(fēng)口)為側(cè)出風(fēng)口，用于后視鏡視野區(qū)的除霜。

圖4 風(fēng)道模型體網(wǎng)格示意圖

熱風(fēng)經(jīng)過(guò)格柵導(dǎo)流后吹向風(fēng)窗玻璃是沖擊射流的一種[11-15]。沖擊射流是指射流對(duì)固體壁面或液體表面等的沖擊流動(dòng)，即氣體或者液體在壓差的作用下，通過(guò)圓形或窄縫形噴嘴垂直或成一定傾角噴射到被冷卻或加熱的表面上。

汽車風(fēng)窗玻璃所在平面與氣流在XZ平面投影的夾角，稱為除霜出風(fēng)口處空氣的碰撞角，用Φ表示，如圖5所示，它主要決定沖擊射流對(duì)玻璃壁面的碰撞能力，是影響玻璃除霜效率的重要參數(shù)。

圖5 碰撞角Φ示意圖

除霜效果的好壞一方面取決于熱風(fēng)的溫度和流量等，另一方面取決于除霜熱量有效率ηQ的大小，即熱風(fēng)中用于除霜的熱量Qeff與熱風(fēng)中所含有的總熱量Q的比值。在Q一定時(shí)，ηQ越大，除霜效果越好，除霜的能耗越低。經(jīng)過(guò)格柵的除霜熱風(fēng)對(duì)玻璃壁面的碰撞能力越強(qiáng)，則除霜熱量有效率ηQ越大。

1.4 邊界條件設(shè)定

計(jì)算時(shí)，假定空氣為不可壓縮流體，湍流模型為Realizable k-ε模型，差分采用2階迎風(fēng)格式，隱式解法。在風(fēng)窗玻璃外表面激活thin film模型模擬霜層，霜層厚度根據(jù)國(guó)標(biāo)GB11555—2009相關(guān)規(guī)定，環(huán)境溫度設(shè)定為253±2K，動(dòng)態(tài)隨機(jī)變化。按照實(shí)驗(yàn)，計(jì)算的霜層厚度設(shè)定為0.44mm，除霜風(fēng)道入口空氣流量為350m3/h。出口邊界為壓力出口，壓力設(shè)置為0。其它邊界均設(shè)置為壁面邊界。

2 風(fēng)道的改進(jìn)設(shè)計(jì)

除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)直接影響汽車空調(diào)的除霜性能，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法確定風(fēng)道的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行風(fēng)量配送的CFD仿真分析，對(duì)風(fēng)道不合理處進(jìn)行改進(jìn)。

表2為風(fēng)道的4個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量設(shè)計(jì)目標(biāo)與仿真得出的風(fēng)量分配結(jié)果。由表2可知，風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量分配不均勻。中右出風(fēng)口風(fēng)量比例過(guò)高，超過(guò)了目標(biāo)值，而中左出風(fēng)口的風(fēng)量較少，會(huì)導(dǎo)致A′區(qū)除霜較快而A區(qū)較慢。

表2 除霜風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量分配

圖6 風(fēng)道改進(jìn)圖

針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)不合理處進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，具體改進(jìn)措施如圖6所示。在風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處增加導(dǎo)流板，均勻兩出風(fēng)口的出風(fēng)量，引導(dǎo)熱風(fēng)向主駕駛除霜出風(fēng)口流動(dòng)，增加左側(cè)出風(fēng)口和中左側(cè)出風(fēng)口風(fēng)量，甚至超過(guò)中右側(cè)和右側(cè)出風(fēng)口的風(fēng)量，保證駕駛員正對(duì)的風(fēng)窗玻璃A區(qū)優(yōu)先除霜。

改進(jìn)后的風(fēng)道風(fēng)量分配如表3所示。由表3可以看出，改進(jìn)后的風(fēng)道風(fēng)量分配比例較為合理，除霜時(shí)優(yōu)先A區(qū)，使駕駛員的視野得到保障。

表3 改進(jìn)后除霜風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量分配

3 格柵布置的優(yōu)化

通過(guò)改進(jìn)風(fēng)道使各出風(fēng)口的風(fēng)量分配滿足實(shí)際需求后，再借助改變格柵相對(duì)風(fēng)窗玻璃的傾角，來(lái)改變碰撞角Φ可能是進(jìn)一步改善除霜效果的有效方法。 因此，設(shè)定碰撞角 Φ 為 50°，55°，60°，65°和 70°進(jìn)行仿真，對(duì)不同角度時(shí)玻璃的平均溫度和霜層厚度進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 風(fēng)窗玻璃外表面平均溫度對(duì)比分析

風(fēng)窗玻璃外表面的溫度情況一定程度上反映了除霜過(guò)程的快慢。經(jīng)過(guò)格柵導(dǎo)流后的熱風(fēng)與風(fēng)窗玻璃間的碰撞角Φ過(guò)大或過(guò)小，均會(huì)使除霜時(shí)間變長(zhǎng)，除霜效果變差。這是由于碰撞角越小，熱風(fēng)距離風(fēng)窗玻璃內(nèi)表面距離越大，在熱風(fēng)吹向玻璃的過(guò)程中，與駕駛艙內(nèi)的空氣換熱量增加，使熱量有效率ηQ下降。碰撞角過(guò)大，熱風(fēng)吹向風(fēng)窗玻璃表面時(shí)，與玻璃接觸面積減小，使玻璃被加熱區(qū)域變小，也不利于快速除霜。

仿真結(jié)果如圖7所示，碰撞角Φ為50°和55°時(shí)，風(fēng)窗玻璃外表面溫度最高，這是由于此時(shí)熱風(fēng)吹到玻璃與玻璃內(nèi)表面的接觸面積增大，使導(dǎo)熱面積增加，增加了換熱量，從而使在開始階段溫升速率快。在除霜開始階段的0～500s內(nèi)，這種現(xiàn)象最明顯，因?yàn)殚_始階段，風(fēng)霜玻璃外表面溫度基本保持一致，與環(huán)境溫度相同。風(fēng)窗玻璃與熱風(fēng)的接觸面積越大，則溫升的區(qū)域也越大。在除霜后期，隨著風(fēng)窗玻璃自身溫度不均勻，導(dǎo)致玻璃內(nèi)部存在導(dǎo)熱情況，使除霜后期溫升速率差別不如前期明顯。

圖7 不同碰撞角玻璃外表面平均溫度變化曲線

3.2 霜層平均液相率σ對(duì)比分析

霜層平均液相率σ直接反映除霜情況，σ＝0時(shí)，未進(jìn)行除霜；σ＝1時(shí)，除霜完成。圖8為不同碰撞角Φ對(duì)應(yīng)的時(shí)間-平均液相率曲線。在開始階段，各Φ角下的除霜效果基本一致，這是由于剛開始吹出熱風(fēng)溫度較低，風(fēng)窗玻璃外表面溫升較慢，玻璃與霜層間的換熱量較小。由圖7可知，在500s后，由于Φ為50°和55°時(shí)的玻璃外表面溫度明顯高于其它情況，故這兩種Φ角對(duì)應(yīng)的液相率σ上升最快，圖8也證實(shí)了這一點(diǎn)。仿真得出的除霜效果列于表4。由表可見，碰撞角Φ為55°時(shí)，效果最佳，除霜時(shí)間為1 300s。

圖8 不同碰撞角對(duì)應(yīng)的時(shí)間-平均液相率曲線

在得出碰撞角Φ＝55°除霜效果最好的結(jié)論后，為進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)Φ＝54°和Φ＝56°的除霜效果進(jìn)行仿真。900s時(shí)，除霜效果如圖9所示。

與表4比較可知，Φ＝54°和Φ＝56°的除霜效果都不如Φ＝55°，且最終碰撞角Φ＝54°時(shí)，霜層完全消除的除霜時(shí)間為1 380s；碰撞角Φ＝56°時(shí)，除霜時(shí)間為1 460s，均比碰撞角Φ＝55°時(shí)長(zhǎng)，故碰撞角Φ＝55°時(shí)，除霜效果確實(shí)最佳。

表4 不同Φ和時(shí)間下的除霜效果圖

圖9 Φ＝54°和Φ＝56°時(shí)900s除霜效果圖

3.3 出風(fēng)溫升規(guī)律對(duì)于除霜效果的影響

經(jīng)過(guò)格柵導(dǎo)流后的熱風(fēng)通過(guò)與風(fēng)窗玻璃間的對(duì)流換熱以及玻璃內(nèi)部自身導(dǎo)熱使玻璃整體溫度升高，掠過(guò)玻璃表面的風(fēng)溫不同，會(huì)導(dǎo)致被加熱區(qū)域的玻璃表面溫度不同，進(jìn)而影響玻璃內(nèi)部導(dǎo)熱，從而影響除霜效果。

在得到格柵最優(yōu)碰撞角后，進(jìn)一步討論格柵對(duì)于不同出風(fēng)溫升規(guī)律的適應(yīng)性。同種車型一般風(fēng)窗玻璃位置和儀表臺(tái)的位置固定，故其碰撞角也是固定的，但是同種車型由于所配動(dòng)力源的不同，除霜工況的出風(fēng)溫升規(guī)律會(huì)有變化。本研究涉及兩種車型:搭載2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)，利用廢氣余熱作為除霜熱源的普通汽車；采用功率5kW的PTC加熱器作為除霜熱源的電動(dòng)汽車。兩者除霜風(fēng)道的出風(fēng)口空氣溫升規(guī)律不同。圖10為普通汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)車的PTC加熱器兩種除霜熱源所得到的出風(fēng)口空氣溫升規(guī)律對(duì)比圖。從圖中可以看出，兩者溫度變化的規(guī)律差距很大。

圖10 PTC與發(fā)動(dòng)機(jī)加熱后風(fēng)道出風(fēng)口溫升曲線

在Φ＝55°的格柵下，其余條件保持不變，采用PTC加熱曲線進(jìn)行除霜，除霜效果如圖11所示。

采用PTC加熱器進(jìn)行除霜的整體除霜時(shí)間為980s，與PTC加熱器相比，由于發(fā)動(dòng)機(jī)溫升曲線上升速率慢，使其完全除霜時(shí)間要晚于同等狀況下PTC加熱器的除霜時(shí)間，純電動(dòng)汽車在除霜方面有著一定的優(yōu)勢(shì)。

本研究還進(jìn)行了不同溫升曲線條件下不同格柵碰撞角的仿真，因篇幅所限，未予列出。但仿真結(jié)果表明，不同溫升曲線對(duì)應(yīng)的最優(yōu)除霜效果的格柵碰撞角大致相同。

圖11 碰撞角Φ＝55°時(shí)PTC加熱器除霜效果圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行除霜實(shí)驗(yàn)。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB11555—2009，將被測(cè)車輛置于能容納被測(cè)車輛且維持實(shí)驗(yàn)溫度在-18±3℃的低溫實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，采用噴槍將0.044g/cm3乘以風(fēng)窗玻璃面積值的水量均勻地噴射在玻璃外表面上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖12。

圖12 實(shí)驗(yàn)除霜效果圖

首先開始除霜是駕駛員側(cè)對(duì)應(yīng)的A區(qū)，這與改進(jìn)風(fēng)道后仿真得出的風(fēng)量配送比一致。在碰撞角Φ＝55°實(shí)驗(yàn)得出的除霜時(shí)間為1 340s，與經(jīng)過(guò)CFD仿真分析的結(jié)果進(jìn)行比較，誤差為4%，認(rèn)為仿真結(jié)果有效。同時(shí)，驗(yàn)證了CFD分析的可靠性。在實(shí)際車型開發(fā)過(guò)程中，風(fēng)窗玻璃安放位置不僅要考慮除霜效果，還需要考慮美觀和風(fēng)阻系數(shù)等。在實(shí)際調(diào)整碰撞角Φ時(shí)，可著重考慮儀表臺(tái)安放位置，以及格柵嵌在儀表臺(tái)的位置、角度、深度等，使碰撞角Φ＝55°。

5 結(jié)論

(1)將風(fēng)道與格柵作為整體進(jìn)行改進(jìn)，利用CFD仿真軟件，對(duì)某汽車開發(fā)過(guò)程中汽車空調(diào)的除霜性能進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)原除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致風(fēng)量分配不合理，除霜效率低。通過(guò)改進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu)，調(diào)整風(fēng)量分配，滿足了風(fēng)量分配的設(shè)計(jì)要求。

(2)在風(fēng)道達(dá)到合理分配的基礎(chǔ)上，對(duì)格柵的布置進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)STAR-CCM+對(duì)三維乘員艙模型在不同碰撞角Φ下進(jìn)行數(shù)值模擬。得出Φ＝55°是最佳除霜碰撞角，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)出于實(shí)際情況的需要，著重對(duì)普遍使用的純電動(dòng)汽車和搭載2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)車傳統(tǒng)的溫升規(guī)律下的除霜效果進(jìn)行研究，證實(shí)Φ＝55°適用于不同溫升規(guī)律。

(4)在車型開發(fā)過(guò)程中，可采用CFD仿真分析的方式對(duì)風(fēng)道和格柵碰撞角Φ的數(shù)值模擬，以減少開發(fā)周期和成本。