基于STAR-CCM+汽车除霜系统CFD仿真分析与优化
摘要：汽车空调除霜性能对汽车驾驶和交通安全起着重要作用，文章基于STAR-CCM+通过CFD方法对某重型卡车的空调除霜性能进行分析，找出除霜系统的优化方案。通过对除霜系统出风口位置、出风口格栅结构、风管管道及出风格栅方向进行优化设计改进，除霜性能在-30°得到改善与提升，最终得到满足设计要求的除霜系统。
关键词：STAR-CMM+;除霜系统;CFD;风量分配;优化设计;
引言
在寒冷天气下，当车内空气和寒冷车窗表面接触时，空气中的水分受温度降低的影响饱和析出，形成水汽。当空气温度下降到零度以下时，水汽就会在玻璃表面凝华产生冰晶，汽车挡风玻璃上冰晶凝结形成的冰霜会严重影响驾驶员视野，对行车安全产生危害，因此如何快速除霜对行车安全至关重要。GB11555—2009对汽车除霜系统性能和试验方法做出了严格的规定（M1类汽车强制执行）。参考此标准，重型卡车一般要求试验开始20 min后，A区域需完成80%除霜；试验开始35 min后，A区域需完成100%除霜，B区域需完成95%的除霜，如图1所示。
图1 除霜A、B区域划分
基于重卡的传统除霜系统设计主要采用经验设计方法，待样车制造完成后，利用试验核查其实际性能效果，费用高，设计整改周期长。本文通过STAR-CMM+软件以及CFD数值模拟技术，在某重型卡车的研发过程中，对空调的除霜性能进行前期理论分析，对除霜风道、格栅出口面积及角度等关键部位进行分析和优化，使整车的除霜性能大幅提升，且优化结果在实车中得到了有效验证。
1 空调除霜风道CFD仿真分析
1.1 基本理论
在STAR-CCM+中挡风玻璃和侧窗玻璃的除霜模拟包括两个过程：整个除霜计算域内的流场稳态计算和除霜过程的瞬态计算。当热气流将热量通过玻璃的内侧传导到玻璃外侧的霜层，霜层温度持续升高，当到达冰霜融点时，霜层就会开始融化并直到消失。融化/凝固问题的能量方程为[1][2][3]:
融化/凝固问题的动量方程为：
式中，φ表示为对应坐标方向上的速度分量。
霜层初始能量的计算公式：
1.2 除霜分析流程及计算模型
1.2 除霜分析流程及计算模型
CFD分析流程如图2所示，分析过程中首先对几何模型进行处理，并生成计算网格，之后设置物理模型、边界条件进行稳态流场分析计算。当结果不能满足目标要求时，需要对内部流场进行分析，查找问题点，提出修改建议，进行优化计算，直至达到目标要求。针对优化后的除霜模型进行瞬态计算，瞬态结果验证优化后的除霜效果，如果仍不理想，调整相应边界条件，直至满足性能要求。
图2 CFD除霜性能分析流程
基于HVAC模型、挡风玻璃、除霜格栅、风道及乘员舱内饰数模，采用Hypermesh软件处理面网格，建模过程中简化了乘员舱模型，未包含假人等模型。再将面网格导入STAR-CCM+中，检查是否封闭，按照尺寸设置生成体网格，并设置边界条件，进行空调系统除霜性能分析计算，如图3所示。
图3 空调及除霜风道模型
计算边界条件如表1所示。
表1 蒸发器与暖风芯体边界
除霜模式下，HVAC入口流量采用最大吹风量，叶轮转速为4 908 rmp,出口压力为1个标准大气压，环境温度采用-18℃。过滤器、蒸发器和暖风芯体均设为多孔介质模型。模型分玻璃域和流体域以及冰层域，壁面均为无滑移边界条件，风道设置四层边界层，稳态计算时，常温不可压缩流动，标准k-e湍流模型。瞬态计算中，入口温度采用温升实验数据，冰层温度大于0℃，则认为冰已融化。
2 设计方案结果分析
2.1 除霜模式下出风口风量分配
除霜风道各出风口的风量分配对挡风玻璃上速度分布影响很大，因此，在设计除霜风道时，将各出风口的风量分配作为一项重要的设计目标进行控制。表2为除霜模式下各风管流量分配的结果，由表2可以看出，除霜模式下，从吹脚和吹脸风道泄露出的流量约占总流量的68.72%，用于除霜的风量较小。从除霜风管流量分配仿真结果看，两侧风量相当，中间两侧风量相当，但总体风量较小，除霜效果较差。
表2 除霜模式下各风管流量分配的结果
2.2 前挡风与左右侧窗玻璃风速分布
从速度分析云图可以看出，由于除霜的风量较小，前挡玻璃速度也较小，导致除霜的效果较差。前挡风速度分布均匀性较差，中央的速度分布较低，中间部分的除霜效果较差。前风挡视野区四个拐角的速度分别为0.08 m/s、0.08 m/s、0.18 m/s和0.17 m/s，速度偏低。气流攻角，即气流与玻璃的夹角约为28°。从侧风窗速度云图可以看出，由于除霜的风量较小，驾驶侧侧窗速度也较小，导致除霜的效果较差。侧窗突破点的位置偏向高，视野区次下侧的除霜效果较差。由于除霜的风量较小，副驾驶侧侧窗速度也较小，导致除霜的效果较差。
2.3 流场分析——三维流线图
流线图如图4所示，可以看出，吹脸风管的出风较为明显，除霜和吹脚的出风较少，除霜风量较小，会导致除霜效果较差；前档风窗的流线分布均匀性较差，两侧的风速较高，中间流速也比较低，除霜效果较差；破点的位置偏高，加之风速较低，侧窗视野区的除霜效果较差。除霜模式下，从吹脚和吹脸风道泄露出的流量约占总流量的68.72%，用于除霜的风量较小，导致整体除霜效果较差。经过上述三方面分析，建议修改空调系统设计，保证除霜的风量。
图4 除霜风道流线图
3 优化结构方案设计分析
经过分析，发现前风挡与左右侧窗出口流量分配不合理，气流流速偏低，除霜效果不能满足性能要求等问题。根据除霜风道及各出风口流量分配以及风道与驾驶舱内的压力和速度矢量分配图，并针对风量分配的大小及部分区域存在涡流的情况下，对风道和出风口位置进行优化设计。
(1)修改空调箱吹脚出风口的位置，从空调箱中间出风吹脸风道增加了一个风门，左右吹脚风管为一整体，从空调箱中间出风；(2)同步修改前出风格栅位置，缩短了两前除霜风口Y向间距30 mm,两前除霜风口X向分别后移10 mm和20 mm;(3)修改除霜两侧分流处的风管，使分流处的风管截面变大，光顺过渡到两侧风管，提高两侧中央出口速度的均匀性，使除霜管道更加的平顺；(4)旋转了仪表板出风口格栅朝向。最终选择同步优化风管布置、出风口位置、风管管道及仪表板出风口格栅的设计与朝向，满足在一定时间段的除霜流量，以达到理论的除霜仿真设计效果，且中央出风口的速度分布均匀性较好，视野区A区和B区的均匀性也有所提升。在除霜模式下，除霜流量分别是168 CMH和167 CMH，除霜流量也得以提高。
4 优化后结果及试验验证
除霜模式下各风管流量分配及仿真结果如表3和图5所示。
图5 优化后玻璃表面温度云图
优化方案经过仿真分析，结果如图所示。35 min后，A区完成100%除霜，B区达到了95%。经样车试验，实际状态与仿真结果相吻合。STAR-CCM+软件CFD理论结构设计仿真分析的合理性得到进一步验证。
5 结论
本文采用CFD方法，结合STAR-CCM+软件中多项流Fluid Film除霜模块，对某重型卡车的除霜性能进行分析。初始方案由于风道及格栅角度设计不合理，使得各出风口分风不均匀，吹风位置不理想，流动损失较大，达不到目标除霜要求。针对设计缺陷对除霜模型进行优化，最终优化效果显著，满足整车除霜性能要求。经过对样车的实际试验结果对比论证，优化方案后的除霜效果能达到目标设定要求。
表3 除霜模式各风管流量分配
参考文献
[1] 全国汽车标准化技术委员会.GB11555—2009《汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求及试验方法》.北京：中国标准出版社，2009.
[2] 全国汽车标准化技术委员会.GB11562-1994《汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》.北京：中国标准出版社，2004.
[3] 周安勇，王树桂.汽车除霜的计算流体力学仿真[J]，汽车技术.
文章来源：重型汽车
