基于CFD的汽车侧窗除霜除雾优化设计

方月娇 Fang Yuejiao

基于CFD的汽车侧窗除霜除雾优化设计

方月娇
Fang Yuejiao

（江西昌河汽车有限责任公司 技术中心，江西 景德镇 333001）

汽车空调的除霜除雾性能对汽车的驾驶安全有重要意义。针对市场反馈某微型货车前门侧窗除霜除雾效果差，采用Fluent软件对该微型货车的除霜除雾性能进行CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）数值模拟分析，计算风管内气流矢量和侧窗玻璃上气流速度分布，获得前门侧窗除霜除雾效果差的原因，并对其进行优化设计，对优化前后前门侧窗除霜除雾效果进行实车验证试验，试验结果与CFD分析一致，表明CFD分析方法的可靠性，为汽车空调设计提供一定的理论依据。

微型货车；除霜除雾；CFD；优化设计

0 引 言

冬天气温下降户外汽车玻璃会结冰霜，特别是在我国北方地区，汽车玻璃上的霜冻严重影响驾驶员的视野，对行车安全造成危害；因此提高汽车除霜除雾的性能是汽车设计开发阶段的一项重要工作。传统的空调系统设计主要依赖经验，需要反复试制和测试，增加了车辆研发成本，延长研发时间。由于CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）仿真分析技术的快速发展，CFD已经成为汽车除霜除雾性能设计与优化中的常用工具，可有效缩短车型研发周期并降低设计成本[1-2]。

以某微型货车用户反馈的侧窗除霜除雾效果差问题为出发点，利用ANSYS Fluent对该车型除霜除雾性能进行数值模拟分析，计算风管内的气流矢量和侧窗玻璃上气流速度分布，找出侧窗除霜除雾性能差的原因，并对其进行优化改进，实现侧窗除霜除雾有效面积提升至90%以上的目的。

1 RNG k-e数学模型

在稳态速度模型中流体为空气，用2阶离散方法来求解流场方程，RNG-模型对流线弯曲度较大的流动做了较好处理，控制方程为[3]

2 侧窗除霜除雾CFD仿真分析

2.1 建立CFD分析模型

根据某车型的三维CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）实体模型，分别选择仪表板、格栅、风道和车身的内表面生成模拟空间。在应用CFD数值模拟方法对汽车除霜除雾进行分析和研究时，为减少网格数目，节省计算时间，对车内结构进行了简化，但对模拟的关键部件的细部结构尽量保留。考虑到车内后座回流的空气对风窗玻璃除霜除雾效果影响不明显，因此不考虑车内后部空间，截取一片侧窗玻璃为边界面构建空腔模型进行分析，如图1所示。由于左右风管结构对称，相比眼椭圆在左侧窗投影，在右侧窗投影更靠近A柱，对风向要求更高，故主要对右侧窗进行分析，眼椭圆在左侧窗投影差异对比如图2所示，其中位置1、2为眼椭圆在左侧窗投影，位置2、3为眼椭圆在右侧窗投影。

图1 侧窗除霜除雾分析模型

图2 眼椭圆在侧窗上的投影对比

为节省计算时间，没有考虑风机部分，仅对从侧窗风管出口到仪表板送风口的部分进行研究。为了对风道内的空气流动进行计算，对几何模型作如下假设[4-5]：

（1）空气为不可压缩流体，且密度为常数；

（2）风道系统密封良好，除进风口和出风口外没有空气泄漏。

进行CFD模拟时，常采用的基本边界条件包括：流动进口边界、流动出口边界、给定压力边界、壁面边界、对称边界和周期（循环）边界。

根据除霜除雾模型计算需要，选用速度进口边界条件，用于定义进口的速度大小、方向等其他相关标量值。压力出口边界条件给定出口的静压（表压）[6]，其与其他量设置不同，根据内部流动计算结果给定，而其他量都是根据内部流动外推出边界。

2.2 后处理分析

风管内的气流速度矢量如图3所示，右侧窗的气流速度分布如图4所示。风管内气流在靠近格栅处的速度最高，风管内不存在风速为0的区域，气流沿着仪表板上的出风口向车厢内吹。从图4可以判断驾驶员的眼椭圆（95%的眼椭圆）在右侧窗上的投影，不是整个侧窗中风速最高的区域，而且侧窗上最高风速只有0.645 m/s，与经验值相比，风速偏低。

图3 风管内的气流速度矢量图

图4 右侧窗的气流速度分布图

右侧窗的人眼椭圆中点纵向平面的气流速度分布如图5所示。从图5可以判断经仪表板出风口处的气流没有按照设计要求吹向侧窗指定区域，导致侧窗人眼椭圆处风速偏低，除霜除雾效果不理想。

图5 右侧窗人眼椭圆中点纵向平面的气流速度分布图

2.3 优化设计

从CFD分析的结果判断，暖风并未均匀吹向人眼椭圆在侧窗的投影区域，没能满足使驾驶员清楚观察到后视镜的要求，与用户的反馈结果一致。

经过现场调查、验证和比较其他车型的结构等方法，针对每个可能的原因进行分析，最终得出侧窗除霜除雾改进方案，并分析改进方案的可实施性，见表1。

表1 改进方案以及改进方案的可实施性

考虑到该车型为量产车型，所以设定改进目标为改动成本最低，在不对仪表板等大型零部件进行变更的前提下，提升该车型的侧窗除霜除雾效果，并将侧窗的除霜除雾有效面积提升至90%以上（除霜除雾功能开启10 min）。通过对改进方案的可实施性进行对比，根据设定的改进目标，确定以方案3作为最终优化方案。方案中，导风片为左右对称件，其结构如图6（a）所示，增加导风片前、后的出风口结构分别如图6（b）、6（c）所示，导风片布置在仪表板出风口和风管之间，先将其与仪表板出风口进行安装，再安装风管。

增加导风片后风管内气流速度矢量如图7所示，风管内气流在靠近格栅处的速度最高，气流沿着仪表板上出风口吹向侧窗玻璃，经过方案3优化设计后，最高风速由4.75 m/s提高至7.28 m/s。

（a）导风片结构（b）安装导风片前出风口结构（c）安装导风片后出风口结构

图7 优化后风管内的气流速度矢量图

优化后右侧窗的气流速度分布如图8所示。从图8可以判断，增加导风片后驾驶员的右眼椭圆在侧窗上的投影成为整个侧窗中风速最高的区域，而且侧窗上的最高风速从 0.645 m/s提高到1.485 m/s，是优化前的2.3倍，改善效果明显。

图8 优化后右侧窗的气流速度分布图

优化后右侧窗的人眼椭圆中点纵向平面的气流速度分布如图9所示。从图9可知，经仪表板出风口处的气流在导风片的影响下，直接吹向人眼椭圆在侧窗的投影区域。

图9 优化后右侧窗眼椭圆中点纵向平面的气流速度分布图

3 实车验证

为了验证CFD分析的正确性与通用性，对车辆按照GB 11555—2009《汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法》要求进行实车模拟试验。试验的两台车辆状态分别为在产状态和改进状态，重点比较试验开始8 min后的侧窗除霜除雾效果，见表2。比较结果显示，改进状态车辆比在产状态车辆除霜效果更优，后视镜视野区域的结霜基本清除干净，如图10、图11所示。

表2 在产车与改进车侧窗除霜除雾有效面积对比

图10 驾驶员侧除霜除雾效果

图11 副驾驶员侧除霜除雾效果

从图10、图11中可以看出，右侧窗的除霜除雾效果更好，不排除左、右侧风管的风量对除霜除雾效果的影响。

CFD计算结果与试验结果相吻合，表明利用ANSYS Fluent进行分析能准确地反映出车辆的除霜除雾效果，且采用方案3进行优化满足设计要求。

4 结 论

（1）运用ANSYS Fluent软件对某微型货车的除霜除雾效果进行分析，并根据分析结果，提出了最佳的优化方案，有效解决了侧窗除霜除雾效果不佳的问题，并在实车上得到验证。

（2）优化方案3通过改变出风口处的风向，取得明显除霜除雾效果。总的来说，影响侧窗除霜除雾效果的因素不只与风向有关，还与暖风机性能有关，只有多方面结合，才可以真正提高侧窗除霜除雾性能。

（3）模型质量、网格大小会对计算的速度和精度产生一定影响，若为了体现整车的除霜除雾效果，应建立更加完整的分析模型。后续将增加空调风口的风量分配、车内结构以及内饰件等因素对除霜除雾效果影响的研究。

[1]邓峰，谷正气，杨易，等. 汽车前风窗玻璃除霜除雾数值模拟分析和研究[J]. 汽车工程，2009，31（2）：175-179，188.

[2]王福军. 计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004：124-125.

[3]韩占忠，王敬，兰小平. Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M]. 北京：北京理工大学出版社，2004：31-57.

[4]胡忠辉，杜雄飞，梁正伟. 某车型除霜性能优化分析与验证[J].北京汽车，2018（6）：24-26.

[5]李明，李国迪，赵卫兵，等. 出风道结构改进对汽车除霜性能的影响分析[J]. 汽车工程，2018，40（11）：1364-1369，1375.

[6]杜娟，赵海英. 某车型侧除霜风道设计及优化[J]. 中国汽车，2018（9）：57-60.

2019-04-11

U463.85+1：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.010

1002-4581（2019）04-0036-04