汽车空调侧除霜性能的模拟分析

2制冷技术2011年第2期[Abstract] ThedefrostingperformanceofautoHVACisveryimportantfordrivingandtrafficsafety.Inthispaper,defrostingperformancewithdifferentsidedefrostingoutletwasstudied,thenonetypefornewcarwasselected.Tostudytheeffectofdefrostingwithcurrentduct,theprocessofthefrostthawingwerealsosimulated.[Keywords] autoaircondition；sideDefrosting；duct；computationalfluiddynamic(CFD)汽车空调侧除霜性能的模拟分析王天英*，肖鑫（上汽集团股份有限公司技术中心，上海201804）[摘要]汽车空调除霜性能对汽车的安全性至关重要。本文利用数值模拟方法对不同的侧除霜出风口的除霜性能进行对比研究，从中选出合适的方案供新车使用。并模拟霜层融化过程，验证当前风道的除霜效果。[关键词]汽车空调除霜风道计算流体力学CFD simulation of auto HVAC side defrosting performanceWangTianying,PanLeyan,XiaoXin(TechnicalCenterofSAICMotorCo.,Ltd.,Shanghai201804)-------------------------------王天英(14-)，男，上海汽车技术中心，空调系统经理，工程硕士。联系地址:上海市安研路201号,上海汽车技术中心，邮编:20104。电子邮箱：[e-mail]，手机：136213326，电话：021-61324。*1前言汽车空调是空调技术在汽车上的应用，其目的在于创造车室内舒适的气候环境，保护驾驶员和乘客的身体健康，改善驾驶员的工作条件，提高汽车的安全性能。我国幅员辽阔，南北气候差异大，因此在北方地区汽车除霜问题显得尤为重要。除霜功能是指清除前风窗玻璃和侧风窗玻璃上附着的霜层，为驾驶员提供安全可行的视线环境。在国内，国家标准GB11556对汽车的除霜系统性能做出了严格的要求[1]。国内外采用模拟软件对流场进行了深入的研究[2-4]。通过CFD方法可以在汽车设计的概念阶段就对不同的方案进行对比分析，从中选出合适的方案进行产品设计。由此可以大大减少设计时间，节省试验经费。本文对某车研发过程中不同的侧除霜方案做出比较分析，如图1和图2所示，造型部门提出了两种侧除霜风口位置方案。方案一为侧除霜风口置于中控台上，方案二为风口置于两侧门板上。图1侧除霜风口方案一೒ջ䰸䳰亢ষᮍḜϔ图2侧除霜风口方案二೒ջ䰸䳰亢ষᮍḜѠ2计算模型的建立及方案确定2.1几何模型建立利用STAR-CCM+对不同的侧除霜出风口方案分析与实践2制冷技术2011年第2期进行稳态情形全热除霜模式下的CFD分析，得到了除霜风道各出风口风量分配，风道和客舱内的流线和压力分布，特别是左右侧风挡上的速度分布图。最后还使用STARCD对其中一方案进行了非定常除霜过程的分析，以验证风道设计。根据某车型的三维数模建立数值模拟的计算空间。计算空间包括除霜风道和乘客舱。考虑到工艺数模的复杂性，在不影响计算精度的前提下对模型做了一些简化处理--去除不必要的信息和对一些缝隙进行修理，以减少网格总数及计算时间。但尽量保留风道，风挡玻璃等关键部件。在CATIAV5中修理几何后，得到一个封闭空间的计算域，并存成STL格式。2.2网格生成稳态分析直接使用STARCCM+生成的网格。把STL格式的几何数模导入CCM+后经检查没有几何错误或间隙后就可以直接生成计算所需体网格。本文使用CCM+生成多面体体网格。风道及风档玻璃处局部加密，保证模拟精度。方案一共生成了3120个多面体网格（图3），方案二共生成了231个多面体网格（图4）。对方案一，使用STARCD进行非定常除霜工作的分析，该分析使用ICEMCFD的TETRA生成约130万四面体网格。图3方案一计算网格೒ᮍḜϔ䅵ㅫ㔥Ḑ图4方案二计算网格2.3边界条件模型使用除霜风道的进口作为风量进口，给定流量及温度值。为了防止进口处出现倒流，把进口几何适当加长。本文计算使用压力出口边界条件。2.4计算过程分析求解了Navier-Stokes方程组，采用了二阶离散格式，设置的最大残差为0.001，湍流模型采用了默认的高雷诺数k－ε模型。本次CFD分析过程主要包括前处理，数值求解及后处理三部分[5-6]，详见图5。图5CFD分析流程޴ԩ῵ൟׂ⧚㔥Ḑ⫳៤䗝ᢽ∖㾷ᮍ⿟⠽⧚῵ൟ䆒㕂㾷ㅫৃ㾚࣪ৢ໘⧚ঞ㒧ᵰߚᵤ䖍⬠ᴵӊ䆒㕂㾷ㅫ఼ঞ⅟Ꮒ䆒㕂ࠡ໘⧚᭄ؐ∖㾷ৢ໘⧚೒CFDߚᵤ⌕⿟3计算结果分析本文对两种不同的侧除霜风道的除霜效果进行了对比分析。侧风挡玻璃表面速度分布见图6~图。由计算结果可知，气流在后视镜上的起始点已基本合理，符合整车人机工程中的视角设置，侧除霜基本满足要求。两种方案基本都能满足侧风挡除霜的要求，侧风挡玻璃表面大部分区域速度都大于1.m/s。两种方案的有效除霜范围基本相同。但是方案一（出风口在中控台两侧）可以使侧风档玻璃获得更大的除霜吹除速度，有利于侧风档玻璃的热交换，相对方案二而言，可使侧风档玻璃上的霜层融化更快。图10、图11为两种方案流线图。从流线图可以看出，两种方案的侧除霜气流都能很好地附着在侧风档玻璃上，这样都能获得比较好的除霜效果，但是方案一显然比方案二的效果更好。表1为两种方案除霜风道风量分配。由于方案一的侧除霜风道结构较简单，因此流动阻力较小，侧除霜风口风量较大，故对于侧风档玻璃的除霜效果要好。图6方案一左侧风档速度分布೒ᮍḜϔᎺջ亢ḷ䗳ᑺߚᏗ೒ᮍḜѠ䅵ㅫ㔥Ḑ2制冷技术2011年第2期图方案二左侧风档速度分布图方案二右侧风档速度分布图方案二右侧风档速度分布图10方案一车厢内流线图图11方案二车厢内流线图೒ᮍḜѠᎺջ亢ḷ䗳ᑺߚᏗ೒ᮍḜѠেջ亢ḷ䗳ᑺߚᏗ೒ᮍḜѠেջ亢ḷ䗳ᑺߚᏗ೒ᮍḜѠ䔺ॶݙ⌕㒓೒೒ᮍḜѠ䔺ॶݙ⌕㒓೒㸼ϸ⾡ᮍḜ䰸䳰亢䘧亢䞣ߚ䜡˄ऩԡNJV˅ᎺջЁ䯈ᎺջЁ䯈েջেջᮍḜϔᮍḜѠ图12整车测试效果图೒ᭈ䔺⌟䆩ᬜᵰ೒图12为整车侧除霜测试结果，与模拟方案一基本接近。在方案一的基础上做了正风档玻璃除霜过程模拟，考察当前风道的除霜效果。在原有数模的基础上使用ICEMCFD重新生成了四面体网格，拉伸出5mm的玻璃层,并在前风档玻璃上生成了0.5mm厚的柱状网格模拟霜层。使用STARCD作为求解器模拟霜层溶解过程。图13到图14为整个溶解过程中霜层厚度分布。由计算结果可见此风道对正风档玻璃副驾驶一侧除霜效果不是很好，需要通过优化风道结构或调整风道出口格栅叶片来改善其除霜性能。图13600秒时前风档玻璃霜层厚度分布图140秒时前风档玻璃霜层厚度分布೒⾦ᯊࠡ亢ḷ⦏⩗䳰ሖ८ᑺߚᏗ೒⾦ᯊࠡ亢ḷ⦏⩗䳰ሖ८ᑺߚᏗ4结论（1）通过对两种不同侧除霜出风口方案的数值模拟可以看出，两种方法都可以满足侧除霜的性能需求，但是侧除霜风口在中控台两侧的方案效果更佳。此风道对前风档玻璃的除霜效果不太理想，需要通过风道优化及调整出风口格栅叶片角度来改善其性能。（下转第33页）33制冷技术2011年第2期明玻璃门总功率一般在20W左右。2）工艺控制要求高。因电加热线宽度较小，只有0.5mm，印刷过程中工艺控制不到位，容易出现印刷不全、漏印等现象，导致电加热线粗细不一致，甚至出现断裂等问题，将影响电加热除露效果。而镀膜或电加热镀膜玻璃则没有此问题，技术效果保障好。3）影响展示效果。横向印刷的多条电加热线虽然宽度较小，但对冰吧内部放置物品的展示效果还是存在影响，因此可应用于对外观展示效果要求相对不严格的产品中。镀膜或电加热镀膜玻璃为透明状态，不影响展示效果。3结论根据以上分析，该透明玻璃门除露解决方案相对于镀膜和电加热镀膜玻璃除露方法具有很大的成本优势，并且实现起来也较方便，工艺操作较简单，设备投入较小。虽然此除露方案耗电量较电加热镀膜玻璃除露大，但有单独的除露控制开关，用户可以在需要除露的情况下打开，在不需要除露的情况下将开关关闭，这样即可起到省电的作用，操作简单方便。综上，这种透明玻璃门电加热线除露方案，市场应用前景非常广阔，具有非常大的发展潜力，是值得推广使用的一种方案。参考文献[1]徐松，慕志光，谢玉刚.防凝露立式冷柜玻璃门[P]，中国专利：0220431，2002-10-24.[2]龙建佑，胡勇军，李锡宇，黎观龙.陈列冷柜玻璃门表面结露问题的试验研究[J].制冷学报，2010，31（3）：46~4.[3]许伟光.浅谈车用后挡风玻璃除霜线路的网印工艺[J].建筑玻璃与工业玻璃，2010（）：2~30.（2）通过CFD方法可以观察到一些试验中难以观察的流动现象，也可以比较准确地得到某些通过试验方法很难测量的数据。因此有助于在产品设计早期阶段就对一些部件进行优化改进。（3）相对于传统的CFD软件，STARCCM+是一个更面向工程师的CFD软件，可以对汽车空调设计中所关心的问题快速建模并解算。本文中的侧除霜稳态计算从导入几何到计算完成并进行可视化处理只需要一天时间，大大减轻了工程师的负担及设计周期，可以对更多的方案进行快速地评估与选型。（4）数值模拟计算得到的结果还需要通过环模试验进行验证。参考文献[1]中华人民共和国国家标准，GB11556-14汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求及试验方法[S]．北京：中国标准出版社，16．[2]J.Moureh,G.Letang,B.Palvadeau,HBoisson.Numericalandexperimentalinvestigationsontheuseofmistflowprocessinrefrigerateddisplaycabinets[J].InternationalJournalofRefrigeration,200,32(2):203-21.[3]H.M.Getu,P.K.Bansal.Modelingandperformanceanalysesofevaporatorsinfrozen-foodsupermarketdisplaycabinetsatlowtemperatures[J].InternationalJournalofRefrigeration,200,30():122-1243.[4]BasharSAbdulNour.CFDPredictionofAutomotiveWindshieldDefrostPattern[R]．SAETechnicalPaper，1-01-1203,1[5]吴金玉,陈江平.汽车空调蒸发器总成及风道的数值研究[J].流体机械,200,36():5-62.[6]陈江平，牛永明，穆景阳等．轿车空调风道的计算流体动力学分析[J]．汽车工程，2002，24(2)：134-136．[]张晓兰，陈江平．汽车空调除霜风道的数值优化[J]．能源技术，200，2(2):110-114.[]STARCCM+使用技巧[J]．计算机辅助工程2010年第3期[]STARCD应用[C]．CDAJ-China中国用户论文集欢迎订阅欢迎投稿欢迎刊登广告（上接第29页）