某型S U V整车除霜优化设计研究

王 伟，彭 婧，张 涵，韦祖武

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州45007）

0 引言

近年来国内SUV车型产销两旺，各大车企纷纷加大对该车型的研发投入，添加配置和提升用户体验成为各大车企新的决斗场。整车除霜除雾性能分析作为提升用户体验特别是提升寒冷天候下消费者感知质量的方案被各大整车制造商所关注。1997年Brewster Robert等人首次使用了焓方法和共轭数值仿真方法与试验对比证明了稳态除霜风管风速仿真的可行性[1]。Haribalan Kumar等人对除霜射流与前挡风玻璃接触角对挡风玻璃风速分布的影响进行了试验研究，并取得了积极的成果。2010年Unverdis和他的团队提出了在除霜风量不足的情况下使用电热丝补热的方式给客车挡风玻璃除霜的解决方案[2]。前人所做的工作大多数是成品车完成之后分析试验现象对除霜风管风速和流量分配进行改进或者在玻璃处附加热源达成目标，而这不可避免的造成设计反复，造成重复试验，影响开发周期。

本文以上汽通用五菱某款SUV车型整车除霜性能设计为研究对象，探索通过使用计算流体力学、传热学仿真对整车除霜性能进行拓扑优化设计的方法。在对除霜风管和乘员舱热环境模拟的基础上，通过瞬态数值计算和试验验证等途径，解决了掣肘整车前挡、侧窗视野区除霜效果不理想的问题，为设计需要提供理论和数据支持。

1 理论基础

分析对象为一款SUV车型，空气在汽车前舱中的流动以湍流为主，故采用湍流模型描述前舱和底盘的空气流动状况[3]。写成笛卡尔坐标系下张量形式的控制方程如下：

连续性方程：

动量方程：

其中，ρ为流体密度；ui为速度分量；μ为动力粘度；p为流体微元体上的压力。

近壁面湍流模型采用Fluent软件近壁面模型[4]，不求解层流底层和混合区，采用半经验公式（壁面函数）来求解层流底层与完全湍流之间的区域。

将双层设为一种流体域，相变过程由温度控制，液相率σ表征其融化状态：

其中TS为固相温度；TL为液相温度；σ=1表明霜层完全融化。

玻璃内外表面之间的热传导系数计算公式为：

其中，λ为导热率数据，出现负值表示传热方向与温升方向相反，W/（m·℃）；T1、T2分别表示玻璃内外表面温度；x表示玻璃厚度；q为乘员舱内除霜流场的热量输入；t表示时间变量。

假设霜层溶化成液态后即不影响视野，考虑除霜时能量传递路径为乘员舱内除霜气流到玻璃表面到霜层再到整车外部寒冷气流带走整个过程的热能平衡方程：

式中：m˙为融化的霜层质量，kg；hs·（Tr）为霜层的焓，J/kg；q为乘员舱内除霜流场的热量输入，J；hL·（Tf）为霜融成水后的焓，J/kg；Cvol为参与除霜的热量占总热量的能量系数。

将公式（6）与公式（7）耦合解算，理论上可得到霜层厚度S随时间变化的动态结果：

其中，ρvol为霜层的体积分数。将动态结果与国标或更严苛的企标要求作比较，得出相应的除霜效果在时域上的表现。当使用有限体积法对除霜全过程进行分析时，预期得到时域上的除霜效果云图。

2 仿真分析

2.1 数学模型

设计初期欲在有限的空间内布置除霜风管，使其获得一个较小的流阻值，通过GT-SUITE一维仿真搭建模型，获得最初设计状态的管路中心线形状和尺寸参数，一维管路模型搭建如图1所示。

图1 一维管路模型搭建图

考虑空调箱体和暖风机内部部件设置的复杂性，在进行整车除霜仿真分析中采用商用一维软件GT-SUITE提供的管路流场计算方法，使用空调箱、暖风机出口台架实测提供的暖风机除霜支路的质量流量和温度随时间变化的曲线作为入口边界。

加载到搭建好的一维管路流场模型中，对管路截面基本参数进行优化设计。使用优化软件Isight对设计模型进行单目标多变量的优化运算得出结果。由于优化时结果不能为0或负值，故设定最小长度为1 mm，最小角度单位为0.5°，管路有最小流动阻力为80.6 Pa.

除霜管路截面分析模型的搭建是整车除霜性能匹配的的先决条件，根据布置情况和除霜暖风流量要求调整管路截面关键设计参数是整车除霜瞬态分析和除霜性能优化的前提。根据仿真结果影响流动阻力和流向的关键参数是暖风机出口处弯管的转弯半径和转向角度，在这里影响因素为正值表针该特征值变大流动特性就随之变差。最终得到管理截面中心线理想位置如图2所示，将风管设计调整到该接近理论中心线位置完成前期数学模型调试。

图2 一维管路优化数据

2.2 仿真结果及分析

环境大气压P=101.325 kPa，环温及车内初始温度T=255.15 K，不考虑太阳辐射影响，设定车速为40 km/h（冷空气来流风速），暖风流量和风温来自台架试验按GB11562要求设定驾驶员视野A、A′、B区且霜层厚度满足国标GB11555要求，热力学分析所需的玻璃材料类型，包括密度、导热系数、比热容、固体厚度等根据试验数据定义。

通过对数值流场仿真结果的后处理，得到乘员舱除霜流场的速度流线，表针暖风机出口的高温气流在挡风玻璃上的流速和流向（其中暖色为高速，反之为低速），如图3所示。B区中上部出现明显的低风速区，A区驾驶员侧出现两股气流的分差区。暖风无法覆盖的区域只能通过周围玻璃热传递能量，传递的热能有限对除霜性能造成影响。

图3 挡风玻璃处速度流线

3 结构优化

针对仿真分析中原始设计方案暴露出来的A区驾驶员侧出现两股气流的分差区、B区中上部出现明显的低风速区的问题，尝试采用一般做法，即在除霜风管增加导流片数量，增大导流长度，改变导流片位置等方法来解决。但由于除霜风管出口射流在前挡玻璃上近壁面流动的复杂性，导流片对风速覆盖率的影响需经反复调整、验证再调整。为了使暖风参与除霜的效果最大化，将导流片长度和数量作为基本变量样本，使用优化软件反馈控制网格变形软件构建田口矩阵样本模型，其中对空间采样点进行离散化使样本空间边缘得到覆盖，再对靠近中部和流动弱侧（驾驶员侧）的导流片试验样本进行设计如图4所示。

图4 风管D O E优化模型示意图

获得前挡风玻璃上最优的风速分布后，对装备该导风片的风管最优解方案进行整车除霜瞬态分析，得到时域上的除霜效果云图，如图5所示。其中云图颜色表示霜层厚度，浅色代表霜层厚度大，深色表示霜层厚度小，由图可知15 min后A区融化体积分数为100%、A′区融化霜层体积分数达到84%，B区除霜面积达到87%，优化后除霜效果符合设计要求，如图6所示。

图5 最终结果挡风玻璃暖风风速分布

图6 优化前后表面温度云图

通过上面的优化发现，由于SUV车型前挡倾斜角较小、视野区较高、挡风玻璃面积大等因素的影响，较少的导风片有利于前挡风速的均匀分布，暖风气流弱侧（驾驶员侧）由于气流流量小，较短的导风片能够减小暖风气流流动的损失，防止流动死区和涡流的产生，避免吹到前挡风玻璃上的气流分股，影响暖风覆盖。

4 试验验证

4.1 试验结果

模拟低温环境舱热平衡工况的整车除霜试验中，按标准分别划定视野A、A′、B区后，为了将仿真分析结果与试验结果进行对比分析，验证整车除霜仿真方法的可行性和优化方案的实用性，原模型低温试验结果与优化后试验结果对比，如图7所示。为了方便对比，在这里将优化方案的低温环境舱除霜结果车外拓片做了镜像与原始模型图A、A′区保持一致。可以看到原始模型由于暖风气流分股，致使驾驶员侧左上角区域除霜效果不理想；而优化后整车除霜效果显著提升，在风量不变的情况下15 min时A、A′、B区除霜效果均已超过80%，20 min几乎全部除完，满足设计要求，提升了用户体验。

图7 环境舱试验结果

4.2 误差分析

试验样车在低温试验舱完成了整车除霜测试，试验结果较好。如图8中所示，试验结果与仿真值在5 min、10 min两个点上霜层分布拟合较好，而10 min～15 min除霜试验中霜层的融化速率略高于仿真结果。考虑到试验前结霜喷壶残液致使霜层厚度略薄于设计值，试验员70 g/h的呼吸量被忽略等原因对比结果表明霜层体积分数结果的最大误差在12.6%以内，仿真分析结果的趋势是正确的，验证了分析方法的可行性。

图8 B区霜层体积分数的仿真与试验值对比图

5 结论

利用计算流体力学结合工程热力学理论对某SUV车的整车除霜性能进行了瞬态仿真和优化尝试，结论如下：

（1）优化后前挡风玻璃表面暖风分布有了显著提升，15 minA区融化霜层体积分数达到100%，A′区融化霜层体积分数达到84%，B区融化霜层体积分数达到87%，满足20 minA区80%的要求，除霜效果显著提升；

（2）试验验证了优化方案的可行性，对比结果表明仿真和试验中测点表面温度的最大误差在12.6%以内，仿真结果的趋势正确，仿真分析方法对设计开发有着一定的指导作用；

（3）运用除霜流场瞬态分析和DOE优化的方法的结合实现整车除霜分析，可以在设计开发中期对SUV车型低温工况下的除霜性能进行直观的描述和有效地评估，简化开发流程，减少试验次数，对于提升驾乘主观感受、保障行车安全性、消除安全隐患等方面都具有积极的指导意义。