某型车除霜性能CFD分析与优化

叶勤，周家花，梁军，李福龙

（东风汽车公司技术中心，湖北武汉430058）

汽车的除霜除雾性能是保证汽车行车安全的重要性能之一，空调和风道系统设计不合理会导致除霜除雾性能下降。设计过程中采用CFD分析指导风道设计改善，在不提升空调功率的前提下利用有限的布置空间充分利用风道、格栅的导向作用，满足法规要求的除霜性能。

1 除霜模型

为了能够准确模拟除霜过程，对3D模型（图1）细节适当优化，充分考虑对结果有影响的部件和细节，包括前风窗玻璃、空调、除霜风道、仪表板等；数学模型选取目前较广泛采用的RNG κ-ε，控制方程的表达式如下：

图1 除霜除雾简化模型

式中：t为时间，s；κ为湍动能，N·m；ε为动能耗散率；ρ为空气密度，kg·m-3；μi为湍动粘度，（N·s）·m-2；ακ,αε为与κ和ε 对应的Prandt1 数，ακ=αε=1.39；Gκ为由平均速度梯度引起的κ的产生项；μeff为修正湍动粘度，（N·s）·m-2，μeff= μ + μt=0.0845；μ为动力粘性系数为经验常数，C1ε=1.42，C2ε=1.68；

除霜除雾模型的空气入口为空调在车身上的进气口，出口为车后部出口。

通过软件处理模型的几何错误，得到一个封闭空间的计算域，如图2所示，并生成多面体形式的体网格。风机采用实际模型模拟，转速为3000 r·min-1，冷凝器和暖风芯风阻特性由空调实测得到。在空调、前风窗和侧窗附近区域进行网格加密，网格总数为230万，保证模拟计算精度。

图2 除霜除雾模型面网格示意图

2 除霜风道设计与CFD分析优化

首轮风道结构设计受汽车内部空间限制，风道需要避让环境件，在有限地空间内尽量保证足够的截面积，减少压力损失，使风量最大化。

此款车型空调为偏置，空调出风口不在中央位置，导致风道不对称。按照布置要求设计除霜风道，初版数据如图3所示。

图3 初版除霜风道图

除霜风道经过CFD分析计算如图4所示。1）①②导流槽方向问题，导致涡流严重，特别是上部左侧导流槽阻碍风的流动，导致风道压力损失大，出风量变小；2）③④位置由于截面积变化大，产生涡流，导致左右除霜风量较小；3）风速分布不均匀，最大风速达到24.5 m·s-1，风速大将产生气动噪音。

图4 初版风道CFD分析

根据初版数据分析结果，对风道进行第1轮优化（图5），此轮数据尽量避免风道截面积急剧变化，调节导流槽方向。1）优化①处导流槽；2）去除上部②处导流槽；3）③④处平缓过渡；4）优化⑤处结构，使其缓慢过渡，以降低风道内风速。

图5 第1轮优化后风道结构数据

将优化后的风道数据进行第2轮CFD分析（图6a），结果如下：1）③④处侧除霜风道进口处涡流得到改善；2）中间导流槽导致风偏向副驾驶侧，驾驶侧挡风玻璃上风速小（图6b），导致A区除霜缓慢，不满足法规要求，因此中间导流槽仍需调整，使驾驶侧和副驾驶侧风速均匀覆盖A区；3）风道截面积小导致风速24 m·s-1风速较高（图6a），需要继续修改，尽量在设计阶段降低风道风速，减小风噪声。

针对第2 轮分析，再次修改除霜除雾风道，优化后的风道结构数据如图6c所示。1）需要增加除霜风道面积，减小导流槽宽度，将中间导流槽①②宽度由13 mm改为2 mm，增加风道面积；2）为增加A区风量，增加导流槽③；3）中间导流槽④根据第2轮流线方向进行设计。

运行再次修改数据进行第3轮CFD分析，由于减小导流槽宽度，风道内部流速降低到13.8 m·s-1（图7a），增加导流槽③使风速大于1 m·s-1区域覆盖驾驶员侧A区，有效改善风量分配区域，使风速均匀覆盖法规要求的A区和A′区（图7b）。

在稳态CFD分析优化除霜风道后，再进行瞬态分析，这样有利于合理利用计算资源和节省计算时间，进行稳态分析结果在开始除霜14 min 后，A区和A′区均除霜完毕，满足法规要求（图7c）。

图6 第2轮CFD分析优化

图7 第3轮CFD分析优化

3 除霜试验验证

根据GB11555-2009 除霜和除雾试验标准[3]，设定环境舱的试验条件和试验方法，结果如下：1）检验开始后20 min时，除霜面积占A区的98%，满足不小于80%的要求；2）检验开始后25 min时，除霜面积占A′区100%，满足不小于80%的要求；3）检验开始后40 min时，除霜面积占B区100%，满足不小于95%的要求。

样车的除霜、除雾性能符合GB11555-2009中对相关项目检验的要求。出风角度正确，清除风窗玻璃表面霜和雾的能力较好。

4 结论

1）通过CFD分析得到的风道内部流线图，适当增加导向筋可改善导风方向，优化风量分布区域，使得暖风均匀覆盖除霜目标区域。

2）为有效利用CFD 计算资源节省分析时间，前期只进行稳态分析，通过前风窗玻璃风速分布图，优化除霜风速分布区域后再进行瞬态CFD分析计算除霜时间。

3）通过在风道零件设计阶段进行CFD分析，优化零件结构可以有效降低后期试验和修改模具的费用，缩短开发周期。

[1]祁照岗，陈江平，胡伟.汽车空调风道系统CFD研究与优化[J].汽车工程，2005，27（1）：103-106.

[2]GB 11555-2009，汽车风挡玻璃除霜除雾系统的性能要求及试验方法[S].

[3]王绪彪.轻型客车驾驶室除霜[J].汽车工程师，2011（8）：47-48.

[4]贾彦龙，韩青，苏新梅，陈宪琳，王仁人.基于CFD的空气滤清器入口结构改进设计[J].湖北汽车工业学院学报，2007（4）：9-12+21.