摘要：汽車空調除霜性能對汽車駕駛和交通安全起著重要作用，文章基于STAR-CCM+通過CFD方法對某重型卡車的空調除霜性能進行分析，找出除霜系統的優化方案。通過對除霜系統出風口位置、出風口格柵結構、風管管道及出風格柵方向進行優化設計改進，除霜性能在-30°得到改善與提升，最終得到滿足設計要求的除霜系統。

關鍵詞：STAR-CMM+;除霜系統;CFD;風量分配;優化設計;

引言

在寒冷天氣下，當車內空氣和寒冷車窗表面接觸時，空氣中的水分受溫度降低的影響飽和析出，形成水汽。當空氣溫度下降到零度以下時，水汽就會在玻璃表面凝華產生冰晶，汽車擋風玻璃上冰晶凝結形成的冰霜會嚴重影響駕駛員視野，對行車安全產生危害，因此如何快速除霜對行車安全至關重要。GB11555—2009對汽車除霜系統性能和試驗方法做出了嚴格的規定（M1類汽車強制執行）。參考此標準，重型卡車一般要求試驗開始20 min后，A區域需完成80%除霜；試驗開始35 min后，A區域需完成100%除霜，B區域需完成95%的除霜，如圖1所示。

圖1 除霜A、B區域劃分 

基于重卡的傳統除霜系統設計主要采用經驗設計方法，待樣車制造完成后，利用試驗核查其實際性能效果，費用高，設計整改周期長。本文通過STAR-CMM+軟件以及CFD數值模擬技術，在某重型卡車的研發過程中，對空調的除霜性能進行前期理論分析，對除霜風道、格柵出口面積及角度等關鍵部位進行分析和優化，使整車的除霜性能大幅提升，且優化結果在實車中得到了有效驗證。

1 空調除霜風道CFD仿真分析

1.1 基本理論

在STAR-CCM+中擋風玻璃和側窗玻璃的除霜模擬包括兩個過程：整個除霜計算域內的流場穩態計算和除霜過程的瞬態計算。當熱氣流將熱量通過玻璃的內側傳導到玻璃外側的霜層，霜層溫度持續升高，當到達冰霜融點時，霜層就會開始融化并直到消失。融化/凝固問題的能量方程為[1][2][3]:

融化/凝固問題的動量方程為：

式中，φ表示為對應坐標方向上的速度分量。

霜層初始能量的計算公式：

1.2 除霜分析流程及計算模型

1.2 除霜分析流程及計算模型

CFD分析流程如圖2所示，分析過程中首先對幾何模型進行處理，并生成計算網格，之后設置物理模型、邊界條件進行穩態流場分析計算。當結果不能滿足目標要求時，需要對內部流場進行分析，查找問題點，提出修改建議，進行優化計算，直至達到目標要求。針對優化后的除霜模型進行瞬態計算，瞬態結果驗證優化后的除霜效果，如果仍不理想，調整相應邊界條件，直至滿足性能要求。

圖2 CFD除霜性能分析流程 

基于HVAC模型、擋風玻璃、除霜格柵、風道及乘員艙內飾數模，采用Hypermesh軟件處理面網格，建模過程中簡化了乘員艙模型，未包含假人等模型。再將面網格導入STAR-CCM+中，檢查是否封閉，按照尺寸設置生成體網格，并設置邊界條件，進行空調系統除霜性能分析計算，如圖3所示。

圖3 空調及除霜風道模型 

計算邊界條件如表1所示。

表1 蒸發器與暖風芯體邊界

除霜模式下，HVAC入口流量采用最大吹風量，葉輪轉速為4 908 rmp,出口壓力為1個標準大氣壓，環境溫度采用-18℃。過濾器、蒸發器和暖風芯體均設為多孔介質模型。模型分玻璃域和流體域以及冰層域，壁面均為無滑移邊界條件，風道設置四層邊界層，穩態計算時，常溫不可壓縮流動，標準k-e湍流模型。瞬態計算中，入口溫度采用溫升實驗數據，冰層溫度大于0℃，則認為冰已融化。

2 設計方案結果分析

2.1 除霜模式下出風口風量分配

除霜風道各出風口的風量分配對擋風玻璃上速度分布影響很大，因此，在設計除霜風道時，將各出風口的風量分配作為一項重要的設計目標進行控制。表2為除霜模式下各風管流量分配的結果，由表2可以看出，除霜模式下，從吹腳和吹臉風道泄露出的流量約占總流量的68.72%，用于除霜的風量較小。從除霜風管流量分配仿真結果看，兩側風量相當，中間兩側風量相當，但總體風量較小，除霜效果較差。

表2 除霜模式下各風管流量分配的結果

2.2 前擋風與左右側窗玻璃風速分布

從速度分析云圖可以看出，由于除霜的風量較小，前擋玻璃速度也較小，導致除霜的效果較差。前擋風速度分布均勻性較差，中央的速度分布較低，中間部分的除霜效果較差。前風擋視野區四個拐角的速度分別為0.08 m/s、0.08 m/s、0.18 m/s和0.17 m/s，速度偏低。氣流攻角，即氣流與玻璃的夾角約為28°。從側風窗速度云圖可以看出，由于除霜的風量較小，駕駛側側窗速度也較小，導致除霜的效果較差。側窗突破點的位置偏向高，視野區次下側的除霜效果較差。由于除霜的風量較小，副駕駛側側窗速度也較小，導致除霜的效果較差。

2.3 流場分析——三維流線圖

流線圖如圖4所示，可以看出，吹臉風管的出風較為明顯，除霜和吹腳的出風較少，除霜風量較小，會導致除霜效果較差；前檔風窗的流線分布均勻性較差，兩側的風速較高，中間流速也比較低，除霜效果較差；破點的位置偏高，加之風速較低，側窗視野區的除霜效果較差。除霜模式下，從吹腳和吹臉風道泄露出的流量約占總流量的68.72%，用于除霜的風量較小，導致整體除霜效果較差。經過上述三方面分析，建議修改空調系統設計，保證除霜的風量。

圖4 除霜風道流線圖 

3 優化結構方案設計分析

經過分析，發現前風擋與左右側窗出口流量分配不合理，氣流流速偏低，除霜效果不能滿足性能要求等問題。根據除霜風道及各出風口流量分配以及風道與駕駛艙內的壓力和速度矢量分配圖，并針對風量分配的大小及部分區域存在渦流的情況下，對風道和出風口位置進行優化設計。

(1)修改空調箱吹腳出風口的位置，從空調箱中間出風吹臉風道增加了一個風門，左右吹腳風管為一整體，從空調箱中間出風；(2)同步修改前出風格柵位置，縮短了兩前除霜風口Y向間距30 mm,兩前除霜風口X向分別后移10 mm和20 mm;(3)修改除霜兩側分流處的風管，使分流處的風管截面變大，光順過渡到兩側風管，提高兩側中央出口速度的均勻性，使除霜管道更加的平順；(4)旋轉了儀表板出風口格柵朝向。最終選擇同步優化風管布置、出風口位置、風管管道及儀表板出風口格柵的設計與朝向，滿足在一定時間段的除霜流量，以達到理論的除霜仿真設計效果，且中央出風口的速度分布均勻性較好，視野區A區和B區的均勻性也有所提升。在除霜模式下，除霜流量分別是168 CMH和167 CMH，除霜流量也得以提高。

4 優化后結果及試驗驗證

除霜模式下各風管流量分配及仿真結果如表3和圖5所示。

圖5 優化后玻璃表面溫度云圖 

優化方案經過仿真分析，結果如圖所示。35 min后，A區完成100%除霜，B區達到了95%。經樣車試驗，實際狀態與仿真結果相吻合。STAR-CCM+軟件CFD理論結構設計仿真分析的合理性得到進一步驗證。

5 結論

本文采用CFD方法，結合STAR-CCM+軟件中多項流Fluid Film除霜模塊，對某重型卡車的除霜性能進行分析。初始方案由于風道及格柵角度設計不合理，使得各出風口分風不均勻，吹風位置不理想，流動損失較大，達不到目標除霜要求。針對設計缺陷對除霜模型進行優化，最終優化效果顯著，滿足整車除霜性能要求。經過對樣車的實際試驗結果對比論證，優化方案后的除霜效果能達到目標設定要求。

表3 除霜模式各風管流量分配

參考文獻

[1] 全國汽車標準化技術委員會.GB11555—2009《汽車風窗玻璃除霜系統的性能要求及試驗方法》.北京：中國標準出版社，2009.

[2] 全國汽車標準化技術委員會.GB11562-1994《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》.北京：中國標準出版社，2004.

[3] 周安勇，王樹桂.汽車除霜的計算流體力學仿真[J]，汽車技術.

文章來源：重型汽車