基于FLUENT的某型商用车除霜管道设计

赵立杰，刘 鹏，王新玲

(1.沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136;2.雪龙集团股份有限公司 技术部，浙江 宁波 315800)

随着商用车空调系统的发展及日益完善，市场对除霜、除雾等性能提出了更高的要求，比如更短的除霜时间，更低的空调功耗。除霜管道属于汽车空调系统的一部分，合理的管道设计不仅能满足空间布置，也能降低空调功耗，并在较短的时间内完成除霜任务。计算流体力学的快速发展也为工程设计提供了便利，更多的工程设计开始应用FLUENT、STAR-CCM+等大型商业流体计算软件去协助完成。文献[1-2]介绍了利用CFD方法求解标准k-ε湍流模型和基于焓法的能量方程模拟挡风玻璃除霜性能。利用CFD方法对除霜风道进行优化，比较两种管道的除霜性能并证明优化后管道的性能得到改善。文献[3]利用CFD定量分析了车内气流的速度、温度、湿度以及车窗玻璃的温度和空气的传热量等参数对汽车前风窗玻璃除霜除雾的影响。文献[4]在做除霜仿真时，驾驶室模型内考虑了乘员的温度对除霜的影响。文献[5]对口琴型出风格栅和两侧风道的走向进行优化，改善了除霜性能。文献[6]建立了三种不同管道模型，利用CFD计算得到效果最佳的管道结构。文献[7]研究了驻车通风对前风窗降温和车内除湿的影响。文献[8]介绍了汽车除霜除雾排查解决办法。文献[9]针对电动汽车换热器冬季结霜的问题，提出两种除霜模式并进行实验研究。文献[10]在相关研究基础上，构建了汽车空调除霜除雾性能测试系统，并进行关键部件的设计与调试。文献[11]对某款车空调除霜性能进行CFD分析，并进行优化设计。文献[12]利用CFD与试验相结合的方法研究了出风道结构对整车除霜性能的影响研究。文献[13]对车内空气流动进行了模拟，分析某车型前挡风玻璃除霜效果。

本文通过建立商用车除霜管道流场仿真模型并提出不同改进方案，对管道各个出口的流量分配仿真分析、驾驶室挡风玻璃附近内流线分布进行仿真分析，总结了出口数量和位置对流量分配和挡风玻璃上气流分布的影响，并在此基础上继续改进，改进后风管挡风玻璃上气流分布得到很大改善。

1 CFD相关理论和方法

计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)是通过计算机进行数值模拟，分析流动和传热等物理现象的技术[14]。本质上基于离散替代连续的思想，把一个连续的体或者物理量用一定的方法离散成有限个点，然后建立离散点之间物理量的方程。流体的研究建立在连续介质假设、动量守恒和能量守恒的数学模型上。

质量守恒描述的是单位时间内流入控制体内的质量等于流出的质量。数学表达式[15]为：

(1)

式中，ρ为密度，单位为kg/m3，t为时间，单位为s；u、v、w是对应x、y、z三个方向的速度，单位为m/s。

对于不可压缩流体，密度为常数，质量守恒的数学表达式[15]为：

(2)

式中，u、v、w分别是x、y、z三个方向的速度，单位为m/s。

动量定理为：质点的动量mv对于时间的变化率等于作用在质点的外力和。取一控制体，体积为τ，表面积为A，微元面积为dA，外法线单位向量为n,得动量方程的积分形式为[15]:

(3)

文中所用的RNGk-ε湍流模型的控制方程[3]为：

(4)

(5)

Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能，Gb是用于浮力引起的湍动能，YM可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，αk和αε分别是湍动能K和耗散率ε的有效湍流普朗特常数的倒数。

2 除霜工作过程简介

除霜管道属于汽车空调系统的一部分，主要功能是分配、引导空气对汽车玻璃进行除霜，在寒冷气温下确保驾驶安全。工作过程是：风机从管道内吸入外界冷空气，冷空气首先经过空调系统加热，加热后的空气以一定速度进入除霜管道并分配到驾驶室不同位置，热空气从挡风玻璃下方以及驾驶室工作台两侧的出口喷出，热空气冲击玻璃，挡风玻璃随之升温并融化霜层。此系统也可用于驾驶室玻璃内表面的除雾。本文研究的商用车除霜管道如图1，管道入口布置在中间，共分布十个出口，从1 到10排序，其中出口2-9布置在前挡风车窗下方，用于前挡风玻璃的除霜。出口1、10在两侧，主要为了侧窗玻璃的除霜。图2为除霜管道与挡风玻璃的相对位置。

图1 除霜管道出口示意图

图2 管道、挡风玻璃位置示意图

3 管道出口风量分配仿真

3.1 管道仿真模型建立

管道出口风量分配的主要意义在于通过合理设计管道结构，包括各个出口的位置以及大小，使各个出风口的流量能够得到合理分配。不合理的流量分配将会导致空调系统除霜性能差、空调能耗上升等诸多问题。

风管模型的建立是在三维建模软件CATIA中完成，网格模型是基于Hypermesh软件完成。因管道结构复杂，故使用非结构化网格，管道壁面用尺寸最小为2.5 mm，最大为4 mm的三角形单元划分。管道内部流体网格采用四面体非结构化网格。同时，为了计算更加精确，划分网格时，壁面生成了边界层网格，第一层为0.2 mm，增长率为1.2，共生成7层。管道模型最终生成的体网格数量在207万左右。风管网格模型、出口10网格局部放大图如图3所示。

图3 风管网格模型图

3.2 边界条件

管道入口采用质量入口、管道出口采用压力出口，流体计算域为空气，且不可压缩。选择RNG k-ε湍流模型、标准壁面函数，边界条件设置参数如表1。RNG k-ε湍流模型与k-ε模型相比，对射流问题，能给出较好的射流扩张。

表1 边界条件设置

3.3 计算结果以及分析

图4为管道壁面V形凹陷位置示意图。图5为风管内部空气流动迹线图。图4中显示在出口4与5之间和出口6与7之间，管壁有凹陷的V形区域，整个风管共4处。图5的仿真结果中，管道入口位置处截面积较大，气体流速较低，两侧管道中，靠近管道V形区域处的出口处气体流速快，其余位置沿两侧方向逐渐降低。V形区域空气流通面积小，气流速度相对增大，符合实际情况。

图4 风管壁面形凹陷位置示意图

图5 风管内部空气流动迹线图

4 驾驶室内部流体仿真

4.1 建立驾驶室模型、仿真计算

简化驾驶室模型用CATIA建立，因商用车驾驶室空间大，且重点研究挡风玻璃附近的空气流动，简化驾驶室模型中只包括驾驶室外壳，前挡风玻璃和侧窗玻璃。座位、控制台等不作考虑。风管、驾驶室整体模型如图6所示。管道网格最小尺寸2.5 mm，最大尺寸4 mm。玻璃、车壳的表面网格最小尺寸4 mm、最大尺寸40 mm，差值法interpoate生成体网格数量为320万左右。

图6 驾驶室网格模型图

边界条件设置：管道入口设置为质量入口，玻璃，车壳设置为wall，湍流模型与之前相同。且此计算模型只求解驾驶室内部的流场信息，不涉及温度等能量问题。

4.2 计算结果及分析

图7、图8为驾驶室内空气迹线图。图中所示气流从除霜管道出口流出，流过挡风玻璃、车顶、车厢后部，从底部出口流出，气流流动路径与实际情况相符。除霜管道内部空气流速最大值达到20 m/s，最小值在8 m/s左右。从管道出口射出的高速气流与挡风玻璃发生碰撞，气流会沿着挡风玻璃散开，同时由于玻璃的作用，气体流动速度大幅降低。挡风玻璃面上的气流速度基本为4 m/s左右。除霜管道流出的气流在前挡风玻璃上分布不均匀，气流没有大面积地铺在挡风玻璃上，挡风玻璃中央出现大面积、呈梯形的区域没有气流覆盖。

图7 驾驶室流线正面图

图8 驾驶室流线侧面图

5 改进方案及性能对比

5.1 管道优化方案

针对原风管存在的一些问题，在原风管的基础上进行结构优化。优化目标如下：(1)前挡风玻璃气流完全覆盖玻璃两侧区域；(2)用于前挡风玻璃除霜的风量占比为70%±10%，侧窗玻璃除霜风量占比为30%±10%。据此设计了三种优化方案。图9中从下至上，依次为原风管、方案一、方案二、方案三。原风管的出口3～8的长度都为134 mm，且两边出口对称。方案一为增加玻璃中央区域气流，将出口5、6的长度减小90 mm，其余出口尺寸不变。方案二风管是在方案一的基础上将4、7出口向中间移动了60 mm，其余尺寸不变。方案三，在方案二管道基础上的出口3、4、7、8四个出口修改成八个小出口，具体的尺寸大小在图9中标出。图10为优化方案风管对比图(出口对应序号不变)。

图9 驾驶室流线侧面图

图10 方案三风管出口序号指示图

5.2 流量分配及流场仿真对比

图11为四个模型仿真结果的前挡风玻璃除霜风量与侧窗除霜风量占比。原管道以及方案一、方案二中2-9出口的气流用于前挡风玻璃除霜，1、10出口负责侧窗除霜；方案三中2-13出口的气流用于前挡风玻璃除霜，1、14出口负责侧窗除霜。方案一与原管道相比较出口5、6的面积减小了69%，前挡风玻璃除霜风量下降了8.34%；侧窗玻璃除霜相应增加。方案二与方案一比较，各出口大小没有变化，用于前挡风玻璃除霜风量基本没有变化。图12是原风管驾驶室空气流线图，图13是方案一驾驶室空气流线图，图14是方案二驾驶室空气流线图。图15是方案三的驾驶室空气流线图。原风管的气流主要集中在前挡风玻璃两侧，中间较大面积没有气流。方案一玻璃中间有气流流过，但是玻璃两侧仍有部分区域没有气流。方案二相比方案一，玻璃中间位置的气流没有变化，在玻璃下方有稍微改善，前挡风玻璃两侧仍有较大区域没有气流通过。

经仿真对比，方案三管道的出口数量虽然增加，但用于前挡风玻璃除霜的出口面积最小。图11也显示方案三中用于前挡风玻璃除霜的流量占比小于其他方案，但仍满足优化预期。

图11 四个模型风量对比图

图12 原风管对应驾驶室流线图

图13 方案一对应驾驶室流线图

图14 方案二对应驾驶室流线图

图15 方案三对应驾驶室流线图

图12、图13、图14、图15的流线图对比中，方案三的气流分布情况远远优于其他方案。采用多出口的方案三在流量分配上满足优化目标，同时气流均匀分布在前挡风玻璃上。

6 结论

通过对管道以及驾驶室模型的仿真计算，分析了管道各出口的流量分配影响因素，对比了不同方案的驾驶室内气流分布，得出如下结论：

(1)与传统方法相比， 利用CFD仿真软件辅助设计管道，缩短研发周期，降低了开发成本，灵活性高，对管道开发是一个省时、经济、切实可行的方法。

(2)对于细长类商用车除霜管道，影响管道各出口流量分配的因素主要是出口面积的大小，面积大，出口的流量占比大，反之亦然。出口的相对位置对各出口流量占比的影响不明显，对气流在前挡风玻璃上分布有一定影响。

(3)对内部气流速度较快的细长类除霜管道，采用出口面积大、数量少的原管道方案，导致气流的方向不与出口截面垂直，气流向两侧集中，除霜效果差。采用出口数量多，出口面积小的改进管道方案三能使气流均匀分布在挡风玻璃上，改善除霜性能。经过比较，方案三为最优方案。