基于CFD除霜风道结构分析及优化设计

董小杏



基于CFD除霜风道结构分析及优化设计

董小杏

（成都师范学院 物理与工程技术学院，四川 成都 611130）

采用了CFD方法，并进行网格划分、边界条件的设置。进行了除霜风道出口风量比例分析、除霜风道内壁表面压强分布情况分析、风道内部流场速度流线分析以及风道内部速度矢量图分析。从除霜风道风量分配来看，侧后视镜两出口流量占风道总风量的24.38%，风量合理。从除霜风道速度矢量图可以看出，出风口2、出风口3出口平面风量分配不均，影响前挡玻璃的除霜效果。建议在除霜风管内部增加导流板长度，使得出口平面的风量分布均匀。

除霜风道；CFD方法；风量比例；压强分布

为减少交通事故，在设计除霜风道以及空调主机时性能时，必须满足GB 11555－2009《汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和实验方法》[1]的要求或者更好。

本文通过CATIA对除霜风道及空调主机建模，再转换成内表面数模并导入Hypermesh中，进行流场特性的CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）仿真分析。在对除霜风道空气流动的数值模拟分析中，计算出除霜风道各出风口的风量分配比例，并给出内部空气的流线吹拂情况。可以根据分析结果判断其结构设计的合理性，从而达到优化的效果。与传统的设计计算和实验方法相比，本文利用了Fluent软件对除霜风道的CFD进行仿真分析，缩短了设计开发时间，大大降低了研发成本，提高了设计产品的质量。

1 数值计算模型

1.1 基本理论

在Fluent软件中侧窗玻璃和挡风玻璃的除霜模拟主要分两个过程：一是计算整个除霜域内的流畅稳态，另一个是计算除霜过程的瞬态。当热气流的热量通过挡风玻璃的内侧传到外侧的霜层时，其温度会持续升高，当温度达到熔点时，霜层开始慢慢融化，直到消失。除霜整个过程的能量守恒，其能量方程为[2-3]：

其动量方程为[2-3]：

式中：为对应坐标方向上的速度分量，m/s。

霜层初始能量的计算公式为：

式中：E为初始能量，J；ρ为霜层密度，kg/m3；为霜层厚度，mm；为边界面积，mm2；为比热容，J/(kg·K)；0为温度，K；0为参考温度，K；为潜热，J/kg。

1.2 分析模型

（1）除霜风道及空调主机的模型分析说明

如图1所示，根据三维模型建立数值模拟的计算空间（计算空间包括空调主机、除霜风道），进行流场特性的CFD仿真分析。

图1 除霜风道及空调主机三维模型

对除霜风道进行空气流动的数值模拟分析，计算除霜风道各出风口的风量分配比例，并给出内部空气的流线吹拂情况。为进一步优化除霜风道提供设计依据。

根据图1，模拟除霜风道及空调内壁结构，在不影响计算精度的前提下，对模型进行一定的简化处理。去除不必要的拐角以及小面，得到封闭的空间计算域。

（2）模型网格划分

将CATIA中建立的除霜风道以及空调主机内表面模型导入Hypermesh中，进行模型前处理。需要缝合碎面，删除不影响精度的结构，形成一个封闭的空间计算面域，包括出口格栅、空调主机内部挡板、风道内表面等。在Hypermesh中对封闭的面进行网格处理，网格尺寸按1.5～5 mm，经检查没有网格错误后直接生成计算所需的体网格。对重点关注区域，如除霜风道以及出口格栅进行局部加密，保证计算精度[4-6]。除霜风道及空调主机结构共生成200万左右网格，如图2所示。

图2 除霜风道及空调主机网格

（3）边界条件及求解参数

设空调主机的入口作为流量入口，进口风量为315 m³/h；出口设为压力出口，为一个标准大气压；设空气在风道入口处的速度为平均分布，其方向垂直于边界，其风道出口处的背压设为零。计算除霜风道内部的流场特性。其中固体区与流体区的物理特性参数（如固体密度、流体密度与粘度等）为常数，流动为稳态流动（速度、压力、温度等物理量不随时间变化）。不考虑重力和温度的影响，计算介质为空气，空气密度＝1.225 kg/m3；空气粘度＝1.7894×10-5N·s/m2；环境大气压力＝1.01×105Pa；温度＝300 K[7-8]。

就除霜风道及空调主机的风道分析理论，其基础是整个过程的能量守恒和动量守恒。而基于FLUENT中的CFD分析，其压力与速度的耦合采用的是SIMPLE方法，该方法包含高雷诺数的湍流模式和壁面函数。

（4）分析流程

首先在CATIA中建立除霜风道以及空调主机的模型，再将模型导入Hypermesh，进行网格划分。然后设置物理模型，进行边界条件的设置，对除霜风道系统进行结果分析。根据结果判断其结构设计是否符合要求，最终提出优化方案和建议。如图3所示。

图3 分析流程

2 除霜风道CFD仿真及分析

基于流体力学的理论分析，风道流动过程能量的损失很大原因是涡流引起的，所以在设计除霜风道时，应尽可能避免小尺度与大尺度涡流的形成，那么就需要利用流体力学的理论分析对除霜风道的结构优化设计，尽可能减少涡流带来的能量消耗。其根本的设计方案，是对其结构进行流线型设计，在各个有拐角的结构中尽量圆滑过渡，并且可以优化一些不必要的阻挡结构等[9-11]。

（1）除霜风道出口风量比例

如表1所示，出风口1和4，即侧后视镜两出口流量，共占风道总风量的24.38%，理想值为15%～25%，风量合理。

表1 除霜风道出口风量比例

（2）除霜风道内壁表面压强分布情况

由图4可以看出，除霜风道压强分布较为均匀，没有明显的低压区。

图4 压强云图

（3）风道内部流场速度流线图

从图5可以看出，风道内部流动较为顺畅，无明显漩涡产生。

图5 整体速度流线图

（4）风道内部速度矢量图

如图6所示，中间位置气流流速较大，同时也可以看出，中间两个出风口，即出风口2和3的风量分配不均，边沿位置风速较低，影响前挡玻璃的除霜效果，建议增加风道内部导流板的长度，使得出口平面的风量分布均匀，如图7所示。

图6 导流板位置图

图7 优化后的结果

3 结束语

本文在FLUENT软件里完成除霜风道的分析，采用了CFD方法。从CATIA中建立除霜风道的三维模型，通过软件的兼容性，将三维模型导入Fluent。选择CFD模块进行网格划分、边界条件的设置，并且进行除霜风道的CFD仿真分析。进行了除霜风道出口风量比例分析、除霜风道内壁表面压强分布情况分析、风道内部流场速度流线分析以及风道内部速度矢量图分析。分析结果表明：侧后视镜两出口流量占风道总风量的24.38%，风量合理；出风口2和3出口平面风量分配不均，建议在除霜风管内 部增加导流板长度。

[1]GB 11555－2009，汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和实验方法[S].

[2]李岳林. 工程热力学与传热学[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[3]陈宏芳，杜建华. 高等工程热力学[M]. 北京：清华大学出版社，2003.

[4]周俊波，刘洋. FLUENT 6.3流场分析从入门到精通[M]. 北京：机械工业，2012.

[5]于勇. FLUENT入门与进阶教程[M]. 北京：北京理工大学，2008.

[6]唐家鹏. FLUENT 14.0超级学习手册[M]. 北京：人民邮电出版社，2013.

[7]张鸣远，景思睿. 高等工程流体力学[M]. 西安：西安交通大学出版社，2012.

[8]陶其铭，许志宝，夏广飞. 汽车空调除霜风道分析及结构优化[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版），2010，4（4）：498-500.

[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（3）：23-25.

[10]李华. 大客车除霜分析及系统优化设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[11]操倩，陈党辉，许明春. 基于CAE对某车型驾驶舱热害的整改设计研究[J]. 机械，2015，9（4）：41-44.

Analysis and Optimization Design of Defrosting Duct Structure Based on CFD

DONG Xiaoxing

( College of Physics and Engineering, Chengdu Normal University, Chengdu 611130, China )

This paper adopts CFD methods and meshing, boundary conditions are set. By defrosting duct export volume ratio analysis, defrosting duct wall surface pressure distribution, the flow field inside the air duct speed streamline analysis, internal air duct velocity vector diagram analysis, the following conclusions can be drawn. From the point of defrosting duct airflow distribution, side rearview mirror two outlet flow accounted for 24.38% of the total air volume air duct, air volume is reasonable. As can be seen from the defrosting duct velocity vector diagram, outlet2 and outlet3 export flat are uneven distribution of air volume, it affects the front glass defrosting effect. It is suggested to increase the length of the guide plate within the defrosting duct, to make uniform air flow distribution in the plane of the export.

defrostingduct；CFD methods；air volume ratio；pressure distribution

TH122；U270.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.008

1006－0316 (2018) 12－0026－04

2018－06－04

董小杏（1986－），女，四川成都人，硕士，讲师，主要研究方向为液压技术。