汽车除霜性能优化分析

朱昌盛，张建立，李 静

（北汽福田乘用车设计院，北京 102206）

汽车除霜性能优化分析

朱昌盛，张建立，李 静

（北汽福田乘用车设计院，北京 102206）

汽车除霜性能是汽车安全的重要指标之一，利用软件STAR-CCM+对某车型的除霜系统进行优化计算，应用稳态计算得到前风窗和左右侧窗上的气流速度分布，并据此进行结构优化。最后利用瞬态分析验证了优化后的方案满足设计要求。

STAR-CCM+；除霜；优化；稳态；瞬态

0 引言

汽车的挡风玻璃除霜性能是汽车设计的重要安全指标之一。良好的除霜性能不仅能够满足国家对汽车除霜的法规要求，还能提升消费者的满意度进而提升产品竞争力。我国汽车试验标准中规定试验开始20min后，A区域有80%已完成除霜；试验开始25min后，A′区域有80%已完成除霜；试验开始40min后，B区域有95%已完成除霜[1]。除霜区域划分如图1所示。

图1 除霜区域划分示意图

利用CFD方法对除霜系统进行优化是近年来各大主机厂广泛采取的方法。该方法可以通过仿真计算模拟乘员舱内气流的流动，能够观察到复杂流场的流动特性以及得到任意位置的流速、温度以及压力等参数[2]。瞬态模拟可以得到乘员舱内的温度变化以及除霜效果随时间的变化图，可以做成动画增加直观感知力。这种方法可以避免传统设计方法中的缺陷，降低开发成本，因而得到了广泛的应用[3,4]。

本文利用Hypermesh建立某轿车除霜系统和乘员舱面网格模型，然后将网格模型导入计算分析软件STARCCM+中进行体网格划分[5]。通过进行稳态计算可以得到挡风玻璃上的流速分布以及乘员舱内的流线图，依据分析对原设计进行优化，直至速度分布满足一定的要求，然后对优化方案进行瞬态分析，验证除霜效果是否满足要求[6,7]。

1 模型建立

1.1 前处理

将乘员舱以及除霜系统几何数据导入Hypermesh中，取几何模型的最大内表面进行处理，忽略一些比较小且不重要的特征，缝补缝隙等。然后进行面网格划分，最大网格尺寸取16mm左右，最小网格尺寸为2mm左右。最终得到面网格模型和除霜系统模型分别如图2、图3所示。

图2 乘员舱网格模型

图3 除霜风道系统网格模型

将该面网格以.nas格式保存，然后导入STARCCM+中。在STAR-CCM+中对各组进行命名，检查面网格质量，设置划分体网格类型以及相关的尺寸，进行体网格划分。本文采用四面体网格，边界层为4层，总厚度为8mm。最终得到的体网格数量约为一千万左右。待体网格生成以后，检查体网格质量，删除一些质量较差的网格。

1.2 边界条件的设置

假设空气为不可压缩气体，采用k-e湍流模型，计算边界条件如下所示：

1）入口为流量边界条件，流量为400kg/h；

2）出口为压力出口，1个标准大气压，环境温度为-18℃；

3）空调滤芯及蒸发器均设置为多孔介质，其阻力系数由实验数据拟合；

4）稳态计算2000步，瞬态计算时设置冰层厚度为0.5 mm，计算总时间为1200s，时间步设置为1s，每步迭代5次。

2 初版数据计算分析

根据经验，气流在玻璃上流速超过1.5m/s时就可以达到理想的除霜效果，因此在优化过程中先进行稳态计算分析判断整体除霜效果是否能满足要求。初次计算结果如图4～图7所示。

图4 前风窗速度分布

图5 左侧窗速度分布

图6 右侧窗速度分布

图7 前风窗速度流线图

观察前风窗速度分布可以看出，气流落点偏低位于B区下边附近，导致A和A'区域的气流速度达不到要求，因此需对中央除霜出口格栅进行优化。考察左侧窗，落点偏低，考虑将左侧出口格栅进行优化。由于右侧窗的速度分布基本合理，故暂不对右侧进行修改。

3 首轮优化

3.1 结构优化

根据上面计算结果，前挡风玻璃上的落点位置较低，考察中央除霜格栅结构（图8）可以看到，内侧壁面上有缺口，导致气流进入除霜风道之后直接冲到了B区下边缘，格栅失去了导向作用。进一步考虑到格栅中间横板一侧也有缺口，为避免气流经此缺口产生回流将此处缺口和格栅内侧壁面上的缺口一并补齐。优化后的数据如图9所示。

图8 原格栅

图9 优化后的格栅

观察气流速度分布图和流线图可以看到，A区左下角和A'右下角气流速度高，中间的气流速度较低；格栅出口气流流速分布亦然。考察分风管的结构（图10）并结合流线图，发现分风管背后的凹坑使气流在此处被压向分风管的两侧，导致气流两侧流速高中间低，因此优化的思路是将背后的凹坑补平，并优化分风管外侧的两侧面。考虑到分风管的结构，直接补齐凹坑会导致中间气流流量增大，进而减弱两侧的气流，在内部通道上添加导流板，保证两侧的流量。优化后的数据如图11所示。

图10 原分风管结构

图11 优化后的分风管结构

左侧窗的落点位置偏低，考虑将格栅叶片偏转一定角度改变气流方向。结合格栅结构将叶片角度向上旋转5°作为左侧出口格栅的优化方案。优化前后对比（浅色为优化之前的数据，深色为优化之后的数据）如图12所示。

图12 左侧格栅优化前后对比图

3.2 首轮优化计算

通过对以上优化方案的重新计算，计算结果如图13～图16所示。

图13 前风窗速度分布图

图14 左侧窗速度分布图

图15 右侧窗速度分布图

图16 前风窗速度流线图

经过初次的优化，前风窗上的速度分布较优化前更合理，A'区的速度分布较为理想，但是A区最左边仍有一小块区域速度较低，考虑到驾驶侧是重点关注区域，必须对左侧再进一步的优化；左侧窗在优化之后速度分布满足设计要求，因此左右侧窗不再进行优化。考察流线图可以发现，分风管气流分布基本合理，没有比较明显的涡流产生，因此分风管不再进行优化。接下来对前除霜做格栅单独进行优化。

4 第二轮优化

4.1 结构优化

经过上一轮的优化，左右侧窗速度分布基本满足要求，前风窗A区仍有进一步优化的空间。考察驾驶侧的流线图可知，流经中央除霜格栅最左侧两个孔的气流向左偏斜太多，导致较多高速气流吹向A柱方向，只有较少气流吹到了目标区域的玻璃上，因此，考虑将最左侧的两个叶片向右偏转5°，其优化前后格栅数据对比如图17所示。

图17 优化前后对比图

在上图中，浅色为优化之前的数据，深色为优化之后的数据。

4.2 第二轮优化计算

按照优化方案重建计算模型，重新进行稳态计算，计算结果如图18～图21所示。

图18 前风窗速度分布图

图19 左侧窗速度分布图

图20 右侧窗速度分布图

图21 前风窗速度流线图

观察以上计算结果发现，经过本轮的优化，A区和A'区速度分布较优化前更好。综合来看经过两轮优化，稳态计算结果已经满足了设计要求，接下来需要对该方案数据进行瞬态计算来验证除霜效果是否满足设计要求。

5 瞬态分析

在以上稳态计算的基础上修改计算模型进行瞬态分析计算，设置相关的边界条件和时间步长。20min后冰层厚度分布如图22～图24所示。

图22 前风窗冰层厚度分布图

图23 左侧窗冰层厚度分布图

图24 右侧窗冰层厚度分布图

前风窗各时刻冰层厚度分布如图25所示。

图25 前风窗各时刻冰层厚度分布图

观察图22～图24可以看出，在20min时，A区和A'区的冰层已经完全化去，B区也基本完全化去，只有左下角和右下角有少量残留。左右侧窗关心区域内的冰层已经完全化去。通过瞬态分析结果可以确定，经过优化后的除霜系统的除霜效果满足设计要求。

6 结论

本文利用STAR-CCM+对除霜系统进行了计算，并依据计算结果对除霜的出口格栅和分风管等结构进行了优化，然后进行了瞬态计算，计算结果表明优化后的除霜系统的除霜效果满足设计要求。

[1] GB11555-2009,汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求及试验方法[S].

[2] 訾昌路.基于STAR CCM+的汽车除霜CFD优化[A].CDAJ-China中国用户论文集[C],2011.

[3] 许志宝.汽车空调除霜风道分析及结构优化[A].CDAJ-China中国用户论文集[C],2010.

[4] 梁长裘.汽车空调除霜性能研究[A].CDAJ-China中国用户论文集[C],2011.

[5] STAR-CCM+帮助文档[Z].

[6] 张英朝.汽车空气动力学数值模拟技术[M].北京:北京大学出版社,2011.6.

[7] 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理分析与应用[M].清华大学出版社,2008.

The optimization and analysis of vehicle deicing system

ZHU Chang-sheng, ZHANG Jian-li, LI Jing

TB131

A

1009-0134(2016)12-0004-05

2016-07-22

朱昌盛（1987 -），男，河南人，硕士，研究方向为乘用车CFD仿真，包括整车空气动力学计算与优化，发动机舱热管理计算及噪声分析等。