某客车除霜风口设计布置及CFD仿真分析

张大伟，林伟，李金磊，杨庆如（山东沂星电动汽车有限公司，山东临沂276000）

某客车除霜风口设计布置及CFD仿真分析

张大伟，林伟，李金磊，杨庆如
（山东沂星电动汽车有限公司，山东临沂276000）

介绍M3类客车除霜风口设计要点，重点分析M3类客车除霜目标区域的确定、除霜风口的布置及吹风方向的设计，阐述利用有限元分析软件进行CFD除霜仿真分析的步骤，为M3类客车除霜风口设计布置设计提供参考。

客车除霜；风口；设计布置；CFD仿真

汽车除霜除雾功能属于汽车安全行驶的重要性能指标，除霜效果的好坏直接影响驾驶员行车视野的清晰程度，对驾驶员及乘客的安全有着重要作用。目前关于M3类客车的除霜风口设计及相关分析文献较少。本文主要根据M1类汽车相关标准，类比对某M3类12 m客车除霜风口的布置设计及除霜仿真分析进行说明。

图1 风挡玻璃除雾区域示意图

1 除霜风口设计布置

M1类汽车除霜除雾国家标准有GB 11555-2009[1]和GB 24552-2009[2]，而客车乘员数量较多，需更加重视客车除霜性能；本文根据M1类汽车除霜标准对M3类客车A区及A′区已完成除霜除雾的面积增加5%，因此对M3类客车除霜除雾规定如下：要求M3类客车除霜开始后20 min内，A区域内有85%面积已完成除霜；除霜开始后25 min内，A′区域内有85%面积已完成除霜；除霜开始后40 min内，B区域内有95%面积已完成除霜。除雾开始后10 min内，A区域内有95%面积已完成除雾，B区域内有80%面积已完成除雾[1-2]。目标区域划分如图1所示。

1.1 前除霜风口布置原则

为保证除霜口出风在前风挡玻璃表面形成完整风幕，达到除霜效果，需保证除霜风口布置合理，出风角度正确。设计布置原则如下[3-7]：

1）除霜器的风口位置设在距离前风挡玻璃80～100 mm远处，风口需布置在仪表台前端。

2）风口Y向总长度不小于前风挡玻璃Y向宽度的2/3，根据前风挡玻璃宽度布置相应数量风口，保证能够形成完整风幕。

3）风口前边缘点与驾驶员视野前风挡交点连线与风挡玻璃夹角在3°～20°之间，角度根据前风挡倾斜角度增大而增大；并且除霜风口角度有旋转可调功能。

4）除霜风道管路设计应尽量减少弯曲，防止造成回风出现热量损失，避免风速降低。

5）风口上端距离车辆内地板高度为600～650 mm，除霜效果最好（驾驶员视野线与前风挡交点高度1 000 mm以上）。

根据以上布置原则，M3类客车前除霜风口布置范围如图2所示。

图2 风口布置区域及气流方向

1.2 前除霜风口吹风方向

如图2所示，作经过眼点与水平平面成α（该α夹角为喷射点所在平面与眼点中心点连线并与水平面所成的夹角）的直线为驾驶员正常行驶时视力所及位置，α夹角大小直接影响前除霜风口的吹风方向，而夹角α数值则根据眼点距离地面的高度决定；当眼点距离地面0～1 000 mm时，夹角α为2°～4°；当眼点距离地面1 000～1 250 mm时，夹角α为4°～6°；当眼点距离地面1 250 mm以上时，夹角α为6°～8°。

除霜风口吹出热风需遵守无阻挡原则，且需在α夹角视线与前风挡交点以下200～250 mm处形成风幕；现12 m客车该眼点距离地板高度约为1 050～1 100 mm，并作α为4°～6°夹角下视野线，以此视野线与前风挡轮廓线的交点做与前风挡成25°～30°夹角的直线，该直线方向即为前除霜风口主气流方向，以此方向吹出气流除霜效果最佳；且此吹风方向位于A区、B区下边缘则满足要求[6]。

1.3 除霜口结构设计

客车常用出风口外形主要有圆孔形及长条形，两者主要区别在于：圆形风口一般采用波纹管直接连接，且圆形风口的吹风横截面积要大于长条形风口（直径φ50的圆形风口横截面积比220 mm×4.5 mm的长条形风口大一倍左右），且圆形风口吹风速度下降较快，不易吹到预定部位，除霜效果不好；圆形风口在前风挡所形成的风幕宽度较窄，需布置多个风口才能满足除霜要求，成本增加，外观效果不良，因此选取小截面风口除霜效果最好[6]。

使用同等功率及流量的除霜器，长条形风口吹风速度要明显大于圆形风口，能形成较大风幕，使用数量较少；客车长条形除霜风口开口宽度在3～5 mm，开口长度方向为前风挡的Y方向，开口长度在180～230 mm，风口吹出气流与风口上下、左右边界的夹角为10°；前风挡除霜风口布置总长度不小于前风挡Y向长度的2/3，且风口出风角度上下可调节[6]。

侧除霜风口可根据除霜区域大小及仪表台空间限制可布置圆形风口，风口吹风方向尽量覆盖外后视镜在侧窗的投影区域。

2 风口CFD除霜仿真分析

除霜风口设计及布置完成后，要进行计算流体力学（CFD）分析，以检查除霜系统性能是否满足参考国标而规定的除霜要求。若不符合要求，则需要对设计进行优化，再次进行仿真分析直到符合要求为止。这种方式能节省成本及开发周期[8-11]。

2.1 CFD除霜分析仿真模型

1）为节省计算资源及时间，本文应用CATIA软件建立客车除霜分析模型，包括简易仪表板、出风口、前风挡玻璃、简易封闭驾驶舱，并设计进口位置和出口位置等；利用Hypermesh软件对模型进行网格划分，其中网格总数为30万个，区域最大网格尺寸为20 mm，区域最小网格尺寸为5 mm，并对前风挡玻璃A/A′/B区域范围以内进行网格加密以保证更准确模拟分析，如图3所示。

图3 简易三维模型及网格划分

2）输入分析使用的边界条件。根据市场上已有的除霜器运行参数，设定12 m客车除霜风口进口条件为：流量1 200 m3/h；除霜气流出口条件为：环境大气压（1个大气压）。

3）利用CFD软件对简易模型进行除霜分析。输入进口流量及出口压力数值，设置除霜模拟时间为45min，经过计算得到前风挡玻璃除霜CFD分析结果如图4所示。

图4 45 min内除霜分析结果云图

2.2 CFD除霜分析结果

从图4可以看出，除霜开始10 min后前风挡A区域及A′区域左右上角位置尚有30%面积未完成除霜，这是由于前期设计除霜器布置在汽车仪表板中间位置，且中间通风管路相比两端较短，中间风口会优先吹出温度较高、风速较大的气流；因此会造成前风挡玻璃中间部位除霜程度大于两端位置；随除霜时间不断延长后，我们得到40 min后A区域及A′区域98%基本完成除霜，B区域已有95%完成除霜；根据本文规定的除霜要求判定此客车除霜性能通过，客车的除霜风口设计及布置合格。

3 总结

客车前风挡除霜效果不仅取决于除霜风口布置及设计，还取决于除霜器系统的功能，因此需与电器工程师共同分析并确认。另外，结合运用CFD分析手段模拟分析除霜效果对指导客车除霜设计及改进优化具有重要意义。

[1]全国汽车标准化技术委员会.汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法：GB 11555-2009[S].北京：中国标准出版社，2009：9.

[2]全国汽车标准化技术委员会：电动汽车风窗玻璃除霜除雾系统的性能要求及试验方法：GB/T 24552-2009[S].北京：中国标准出版社，2009：10.

[3]刘杰，刘继兰.客车采暖与前风窗玻璃除霜系统的设计[J].客车技术与研究，2000，22（1）：17-18.

[4]扶原放，张晓斌.某轻型客车除霜性能优化：2014中国汽车工程学会年会论文集[C].北京：北京理工大学出版社，2014：1486-1489.

[5]王应奇，俞立新.客车车厢冬季除霜除湿的分析与计算[J].客车技术与研究，2010，32（6）：31-33.

[6]俞立新，柴浩.高寒地区客车前风窗玻璃除霜分析及改进[J].客车技术与研究，2008，30（2）：35-37.

[7]吴建宁.高寒地区客车除霜系统设计关键事项[J].机电技术，2013（4）：111-112.

[8]吴金玉，陈江平.汽车空调除霜系统的CFD研究及优化：上海市制冷学会2007年学术年会论文集[C].2007.

[9]李智，陈钊，周俊.汽车风挡玻璃除霜性能的CFD优化设计[J].北京汽车，2011（3）：23-26.

[10]张海英.某车型空调系统的研究与分析[D].长春：吉林大学，2011.

[11]孔祥梅，韩艳美.基于CFD分析的汽车除霜风道优化设计[J].企业科技与发展，2014（13）：55-56.

修改稿日期：2017-03-28

Design Layoutand CFD Simulation ofa Coach Defrosting Wind Outlets

Zhang Dawei,Lin Wei,LiJinlei,Yang Qingru
（Shandong YiXing Electric Vehicle Co.,Ltd,Linyi276000,China)

The authors introduce the attention items ofdefrosting wind outlets for a of M3coach,emphatically analyze the ascertainment ofthe defrosting target area,the layoutofthe defrosting wind outlets and the design of the blowing wind direction,expound the steps of CFD defrosting simulation by the finite elementanalysis software,to provide a reference forlayoutdesign ofthe defrosting wind outlets for M3type coaches.

coach defrosting；wind outlet；design layout;CFDsimulation

U463.83+8

B

1006-3331（2017）04-0043-03

张大伟（1989-），男，硕士；工程师；主要从事汽车内外饰的设计及研发工作。