06-汽车空调除霜性能分析

2010年CDAJ－China中国用户论文集汽车空调除霜性能分析汽车空调除霜性能分析汽车空调除霜性能分析汽车空调除霜性能分析TheCFDSimulationofHVACDefrostingPreformanceTheCFDSimulationofHVACDefrostingPreformanceTheCFDSimulationofHVACDefrostingPreformanceTheCFDSimulationofHVACDefrostingPreformance刘希东(北汽福田汽车股份公司研究院性能中心)摘摘摘摘要要要要::::本文通过STAR-CCM+中的稳态计算来预测汽车空调的除霜性能。并对修改后的侧除霜性能进行了验算。最后用瞬态模拟，获得前挡风玻璃上随时间变化的除霜效果图，与国标要求进行对比，为汽车除霜系统性能的模拟工程提供了参考。关键词关键词关键词关键词::::CFD，除霜分析，汽车空调，STAR-CCM+AbstractAbstractAbstractAbstract：：：：TheperformanceofautomotivedefrostsystemisevaluatedbyusingsteadysimulationinSTAR-CCM+.Then,thesamemethodisadoptedtoanalyzetheModifiedmodel.Finally,implicitunsteadysimulationisusedtoresearchthecontoursofliquidfractiononwindshield,whichisevaluatedbyreferringtonationalstandards(GB11556-1994).ThisarticleprovidesareferencetothesimulationonthedefrostperformanceofautomotiveHVACsystem.KeyKeyKeyKeywords:words:words:words:CFD,Defrost,AutomotiveHVACsystem,STAR-CCM+1111前言前言前言前言随着汽车国产化程度的进一步推进，汽车进口关税的进一步降低，汽车市场的竞争也愈演愈烈。要提高产品竞争力，就必须在第一时间推出一流的新款车型。这也就意味着市场对汽车设计及其零部件设计的要求越来越高。而汽车除霜性能的好坏，不仅直接影响到汽车的舒适性，更对汽车的行驶安全性能有直接的影响。传统的除霜风道及出风口设计主要依赖于积累的经验。该方法的不足之处在于：对风道的内部结构设计不甚了解；对气流流动情况不清楚；设计没有理论依据，而且要借助大量的试验验证。导致设计周期长，试验费用高，风道设计复杂且可靠性差[1]。利用CFD分析技术，用数学模型代替传统的油墨模拟除霜试验和环模试验进行研究，可以明确研究方向，缩短研制周期，大大减少反复试验造成的时间和金钱浪费。本文利用STAR-CCM+软件对某SUV车的除霜情况进行了数值模拟分析，了解除霜模式下，气流在HVAC、除霜风道及出风口的流动情况。这对设计和优化除霜风道的设计、提高轿车车室环境的舒适性、提高轿车行驶的安全性，有着十分重要的工程价值与意义，并可克服传统设计方法的缺点与不足[2]。2010年CDAJ－China中国用户论文集2222模型的建立模型的建立模型的建立模型的建立2.12.12.12.1前处理前处理前处理前处理对于车窗玻璃、内饰件、座椅、HVAC、除霜管道等，在Hypermesh中修剪形成封闭的求解域并划分网格，导出.nas的格式后输入到STAR-CCM+中。在STAR-CCM+中整理Boundaries并命名，方便前后处理。在STAR-CCM+中划分多面体网格，采用多处局部加密，得到求解域的体网格数量为220万。图1除霜分析模型2.22.22.22.2边界条件和计算设置边界条件和计算设置边界条件和计算设置边界条件和计算设置计算中假定空气为不可压缩气体，湍流模型为RealizableK-epsilon模型，空间离散采用二阶迎风差分格式，迭代方式选用Simple算法，计算边界条件如下所示：(1)入口条件为320m3/h，温度255K；(2)出口边界为自由出流；(3)其他边界：壁面边界；(4)初始条件：以进口条件给定，环境温度为255K；瞬态计算时，拉伸玻璃层5层，厚度为5mm，冰层厚度为0.5mm，计算2400秒，步进1秒，每步迭代10次。2.2.2.2.3333除霜风道的要求除霜风道的要求除霜风道的要求除霜风道的要求除霜风道主要是将HVAC的热气流在挡风玻璃内侧表面产生喷射气流，通过传热融化积在挡风玻璃外表面的霜、冰层。同时也可循环挡风玻璃附近的空气，避免挡风玻璃内表面温度比车室内空气的露点温度低而发生结雾现象。挡风玻璃除霜的关键因素是除霜喷嘴的结构及喷射气流的合适位置和方向。为了达到除霜性能标准，除霜系统必须能够产生足够的气流，并使气流吹在整个挡风玻璃和侧玻璃的内表面，气流的速度损失最小，并保证大部分气流不会从玻璃上脱落；气流必须有足够的动2010年CDAJ－China中国用户论文集量，能够继续吹到挡风玻璃的上边缘，并减少挡风玻璃和仪表板夹角边缘的空气在循环。3333除霜分析结果除霜分析结果除霜分析结果除霜分析结果从稳态除霜结果来看，前风挡玻璃的上部风速较低，两侧窗玻璃的除霜气流位置点较低，很难满足除霜要求。图2前风挡玻璃风速（大于2m/s）分布图3左侧玻璃风速（大于2m/s）分布图4右侧玻璃风速（大于2m/s）分布调整主除霜风道的导流板，增加A与A’区之间区域的除霜风速；修改风道的走向或者调整左、右除霜风口的格栅高度和角度。对修改后的模型再进行稳态计算。2010年CDAJ－China中国用户论文集图5改进后前风挡玻璃风速（大于2m/s）分布图6改进后左侧玻璃风速（大于2m/s）分布图7改进后右侧玻璃风速（大于2m/s）分布改进的除霜系统，前风挡玻璃风速分布更合理，侧除霜气流大于2m/s的风速落在驾驶员视野范围内，改进后的除霜系统有利于提升除霜效果。改进前、后除霜风道各出风口流量分配如表1。表1各出风口流量分配风口位置比例左风口中左风口中右风口右风口原方案10%40%39%11%改进方案8.3%42.6%41.0%8.1%2010年CDAJ－China中国用户论文集应用瞬态计算进行改进方案的除霜模拟分析，考察除霜系统的除霜效果。图8改进后前玻璃20min除霜效果图9改进后前玻璃30min除霜效果图10改进后左侧玻璃20min除霜效果图11改进后右侧玻璃26min除霜效果图12改进后左侧玻璃20min除霜效果图13改进后右侧玻璃26min除霜效果从瞬态除霜结果分析来看，20min时前风挡玻璃的A区、A’区完成除霜，只有B区左、右下部分区域还有霜没除净，30min前风挡玻璃的A区、A’区、B区的霜全部除净，满足GB11556-1994[3]法规要求。20min左、右侧窗驾驶员视野区霜全部除去，26min左、右侧窗的霜基本除净。2010年CDAJ－China中国用户论文集4444结论结论结论结论改进的除霜系统，前风挡玻璃风速分布更合理，侧除霜气流大于2m/s的风速落在驾驶员视野范围内，改进后的除霜系统有利于提升除霜效果。从瞬态除霜结果分析来看，20min时前风挡玻璃的A区、A’区完成除霜，只有B区左、右下角部分区域还有霜没除净，30min前风挡玻璃的A区、A’区、B区的霜全部除净，满足GB11556-1994法规要求。左、右侧窗驾驶员视野区霜全部除去，26min左、右侧窗的霜基本除净。可采用CFD分析方法改变除霜导流板位置和角度及风道走向来优化汽车挡风玻璃的除霜性能，从而减少试验成本和设计时间。5555参考文献参考文献参考文献参考文献[1]朱娟娟，苏秀平，陈江平.汽车空调除霜风道结构优化研究[J].汽车工程，2004（Vol.26）No.6[2]陈江平，牛永明等.轿车空调风道的计算流体动力学分析[J].汽车工程，2002（Vol.24）No.2[3]GB11555-1994汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求及试验方法