基于STAR-CCM+的汽车除霜风道CFD分析及优化

王春海，刘永强

（保定长安客车制造有限公司，河北 定州 073000）

作为汽车在寒冷环境下行驶时对驾驶员视野、行车安全的必要保障，空调系统除霜除雾性能是整车开发中一项重要的指标。

传统的除霜风道及出风口设计主要依赖于经验的积累。该方法的不足之处在于：对风道内部结构设计不甚了解；对气流流动情况不清楚；设计没有理论依据，而且要借助大量的试验验证。导致设计周期长，试验费用高，风道设计复杂且可靠性差［1］。利用CFD分析技术，能够明确研究方向，缩短研发周期，减少反复试验浪费的人力物力财力。

作者以某型MPV的除霜风道系统为例，通过对风道内部的速度场和压力场进行CFD（使用STAR-CCM+软件）分析，分析风道内部结构对风道风量分配及风窗表面流速的影响，提出了一些改进方案并与原来设计进行比较。这对设计和优化除霜风道，有着重要的工程价值和意义。

1 空调除霜系统介绍

空调系统除霜是利用HVAC喷射出的暖风对玻璃进行加热，经过热量的传递，使玻璃表层的冰层逐渐熔化，从而达到恢复驾驶员视线，避免因视线受阻引起交通事故的目的。

中国汽车试验标准GB11555－2009中对除霜除雾系统的性能有着严格的规定，该标准要求20 min时A区冰层除尽区域占A区面积的80%以上，25 min时A′区冰层除尽区域占A′区面积的80%，40 min时B区冰层除尽区域占B区面积的95%以上。且10 min除尽A区90%、B区80%的雾层。

2 理论基础

风道系统的CFD分析基于质量、动能、能量守恒的3个基本传递方程。对于处于湍流模式下的不可压缩性流体采用标准k-ε两方程模型。标准k-ε模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能k和扩散率ε。k方程是个精确方程，ε方程是由经验公式导出的方程［2］。

湍流动能k输运方程：

湍流耗散率ε输运方程：

式中：Gk——由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb——由浮力引起的湍动能k的产生项；YM——可压湍流中脉动扩张的贡献；C1z、C2z、C3z——经验常数；σk、σz——与湍流能k和耗散率对应的Prandtl数；Sk、Sz——用户定义的源项。

3 原始模型分析

3.1 网格划分

提取除霜风道系统的流体计算区域，并对乘员舱的内CAS模型进行必要的简化处理，最终形成封闭的流体区域，如图1所示。

图1 流体区域模型

在hypermesh里生成三角形面网格，再利用STAR-CCM+进行体网格划分，采用多面体网格模型，并对风道、前风挡玻璃、侧风窗、格栅附近进行网格局部加密。

3.2 边界条件

流体介质为空气，采用稳态CFD分析，进口为质量流量进口，流量为0.1361 kg／s （400 m3／h），进口流量为实测值；出口为压力出口，0 Pa。

3.3 评价标准

除霜除雾性能主要从前挡和侧窗近壁气流速度分布情况直观反映，因此需重点关注这两个量，优良的风量分配能够同时确保前除霜和侧除霜都达到理想的效果，同时管路的压力损失过大会致使总风量下降，影响实车除霜除雾性能，所以压损应控制在合理范围。

根据试验数据及经验确定，风窗玻璃气流速度分布及风量分配的评价标准见表1。

表1 分析评价标准

3.4 原始模型分析结果

经计算，原始模型的前挡风玻璃的气流速度分布见表2，分风比例见表3，除霜系统压损见表4。

表2 风窗气流速度分布表

表3 出风口分风比例

表4 除霜系统压损

从表2可以看出，A区、A′区、B区的气流速度分布满足目标值，但L区、R区气流速度分布不满足目标值，且相差较多；从表3看出，分风比例方面，中右出风口分风略高于目标值，其余出风口分风比例满足目标值；除霜系统压损满足目标值。

左、右侧风窗玻璃表面气流速度分布如图2所示。从图2看出，左右侧风窗气流落点较高，导致L区和R区的气流速度较低。

图2 左右两侧风窗玻璃气流速度分布图

3.5 优化设计CFD分析

鉴于以上分析结果，在原风道基础上，提出一些优化设计方案。

1）如图3所示，将除霜风道分岔处向副驾驶方向移动，并提前分岔，目的是增加中左和左侧窗风口出风量。

图3 除霜风道改进前后对比图

图4 左侧侧除霜风道改进前后对比图

2）如图4所示，将左侧侧除霜风道的弧度变小，并改变出风口格栅的角度，目的是改变该出风口气流的落点，使其落在L区。右侧侧除霜风道改进方法与此相同，如图5所示。

图5 右侧侧除霜风道改进前后对比图

改进后的风道风窗表面速度分布、分风比例见表5、表6。

表5 风窗表面速度分布

表6 分风比例

通过表5、表6可以看出，优化后模型的左右侧风窗气流速度分布有大幅度改善，达到了目标值；中右出风口的分风比例由稍高于目标值降到了目标值范围内，达到了要求。

改进模型的左、右侧风窗气流速度分布如图6所示。

图6 改进模型左右侧风窗气流速度分布

通过图6看出，L区、R区的气流速度全部达到2 m／s，左右侧出风口的气流都落在了L区和R区上，有利于除霜除雾。

4 结论

通过对某车型除霜系统进行CFD分析，得到以下结论。

1）对除霜系统进行稳态CFD分析，能够得到风窗表面气流速度分布及各风口分风比例，有利于评估和改进除霜性能。

2）通过改变侧除霜风道的走向和格栅的形状，能够明显改变气流在侧风窗上的落点，从而改善除霜性能。

3）通过改变中央风道分岔处的位置，能够改变左右侧出风口的分风比例，从而改善除霜性能。