STAR-CCM+除霜除雾分析与案例演示

STARCCM+除霜除雾分析及案例演示-刘文东概要–1背景介绍–2解决方案–3案例分析–4技术分享背景介绍»结雾-车窗表面气温接近零点，相对湿度达到100%时，空气中的水汽便会凝结成细微的水滴附着到玻璃表面，这种现象称为结雾背景介绍»结冰-空气和较冷的车窗表面相接触时就会冷却，达到水汽过饱和的时候多余的水汽就会析出。如果温度在0°C以下，则多余的水汽就在物体表面上凝华为冰晶，这种现象称为结霜。背景介绍背景介绍背景介绍»De-fog\De-ice-汽车挡风玻璃上的霜和雾会严重影响驾驶员的视野，对行车安全产生危害，GB11555-2009对汽车除霜系统性能作出了严格的规定。-汽车除霜\雾性能的关键因素是：出风口的数量、位置、出风角度以及横截面积等。解决方案»传统的除霜\雾风道及出风口设计主要依赖于积累的经验或者直接试验测试，该方法的弊端在于：-对风道的内部结构设计不甚了解、对气流流动情况不清楚-没有理论依据的支撑，需要借助大量的试验验证-设计周期长、试验费用高-风道设计复杂且可靠性差»利用CFD数值模拟-用数学模型补充传统的试验研究-可以明确设计和性能方向-缩短研制周期、减少试验时间和经费解决方案–STARCCM+除霜\雾模型：»Thinfilm模型-基于求解标量方程的原理-更多的依赖于经验系数-De-ice不适用于过低的环境温度»Fluidfilm模型-基于求解多相流相变模型的原理-提供了更接近于实际物理过程的De-fog和De-ice模型-能与其它传热模型联用以上两种模型都对霜、雾存在的区域进行了简化处理，使用了shell模型。求解过程稳定、计算代价低解决方案–STARCCM+除霜\雾模型：»VOF模型-基于求解多相流凝固、熔化模型的原理-求解相变模型-使用网格离散霜/雾空间区域霜\雾存在的区域需要使用足够精密的网格才能准确捕捉霜\雾层的变化过程。计算代价过高、计算周期长，工程上的实用性相对较差解决方案–ThinfilmVS.Fluidfilm：»分析对象：汽车前灯的除雾过程-相同的工况、相同的网格、相同的时间步长时间步长的无关性验证网格无关性验证解决方案–ThinfilmVS.Fluidfilm：»时间步长：0.005s»多面体网格，边界层数3层、网格量24万解决方案–两种模型的主要区别在于：»Thinfilm模型的计算速度比Fluidfilm高出22%-IntelXeonX5570@2.93GHz解决方案–两种模型的主要区别在于：»Fluidfilm模型求解气体多组分模型，Thinfilm求解单气体模型»Thinfilm模型通过求解标量的输运方程得到蒸汽的质量分数。并不求解动量方程，通过对标量添加源/汇的方式处理蒸发/冷凝的过程-结雾层内没有网格离散，不会发生流动-结雾层内的蒸发/冷凝过程不会影响流场分布-代替蒸汽的标量不会影响流动气体的物性（实际物性受蒸汽浓度影响）-不会把蒸汽的质量计入单元格子中的总质量案例分析–目标：»通过试验的方法，测试低温环境下Fiat汽车除雾系统的有效性»验证CFD分析的准确性，并用以完成开发设计，满足设计规范–试验方案：»测试工件处于在-3℃环境下，直至平衡状态（冷却剂在测试温度下稳定不变）»车内放置加湿器，模拟蒸汽源项，产生蒸汽的速度相当于5名乘客呼吸产生的蒸汽量案例分析–试验方案：»车辆封闭，加湿器工作5分钟后（蒸汽饱和），引擎启动，空调设置为最高温度与最大送风量，同时计时器开始计时，保持加湿器持续工作状态»分别记录2,4,6,8,10分钟时刻除雾的影像，用来与瞬态CFD分析进行对比。»使用热像照相机捕捉前挡风玻璃附件的流场与温度场分布，越热的位置代表的速度值越大»探测挡风玻璃附近的速度大小。将挡风玻璃离散为格子区域（以挡风玻璃中心为原点，在水平、竖直方向分别隔50mm画线，将空间离散），每个格子点处布置热风速计，测量范围0-20m/s。案例分析–要求：»挡风玻璃划分为“A”,“B”两个区域，其中“A”区域代表前挡风玻璃90%的表面积，“B”区域代表驾驶员前方视野区域。要求在试验结束后“A”区域能够除掉90%的雾，“B”区域能够完全去除。前挡风玻璃的分区挡风玻璃的热像图片案例分析–CFD仿真方案：»使用STARCCM+软件。»k-epsilon湍流模型»理想气体模型»Thinfilm除雾模型»计算域包括风道、车舱，对不必要的细节进行简化以减少网格量»风道入口温度随时间变化，数据来自试验测量结果CFD仿真区域案例分析–试验结果分析：»下面图片中蓝色区域代表试验过程中被除去雾的区域»试验结束后，“A”区域的除雾面积达到80%，“B”区域的除雾面积达到71%»当前的除雾系统设计不符合汽车应用的标准试验除雾影像案例分析–CFD仿真结果分析：»由于初始时刻雾层厚度指定的影响，试验结果与CFD仿真结果会出现些许差异，相同的物理时刻，雾分布区域略有不同»CFD仿真结果能够准确预测试验结果的趋势»可以通过更多次的仿真验证来缩小与试验的差异（验证更多雾层厚度的计算结果）试验除雾影像案例分析–结果分析：»试验结果与CFD分析结果得到的速度场分布能够保持一致»当前的风道设计导致挡风玻璃两侧速度过高，而中间的部分区域速度接近于0，»风速为0的区域在10分钟的测试结束后不能有效的除雾»需要开发新的除雾设计方案，使送风口的速度分布更加均匀挡风玻璃附近速度分布：CFD计算VS.试验测量案例分析–改进设计：»初始设计的送风口导致空气过于直接的吹向挡风玻璃初始设计的送风口案例分析–改进设计：»通过设置导流格栅调整风量的分布改进后的送风口案例分析–分析验证：»通过CFD分析与试验验证，改进后的出风口设计可以使风速分布更加均匀改进后的挡风玻璃附近速度分布案例分析–分析验证：»通过试验，改进后的设计可以在试验6分钟时完全清除结雾区域试验测量结雾区域随时间变化试验观测：送风口改进后的热像图片技术分享更多精彩，期待微信发布！