汽车除霜性能仿真与试验的对比分析

王丹 万宗尧 陈雷

摘 要：基于STAR-CCM+仿真分析软件对某车型进行除霜稳态及瞬态分析。验证了加密域与首层边界层厚度对稳态除霜结果的影响。在稳态分析合格的基础上进行瞬态分析，并与试验值进行对比，验证了CFD仿真分析具有较高的精确度。

关键词：除霜;加密域;首层边界层厚度;仿真分析;试验结果

Abstract： Defrost analysis for a certain vehicle of steady state and transient was made based on the software STAR-CCM+. The effects of encryption domain and the first thickness of boundary layer were verified. After the steady state analysis met the requirements， the transient analysis was carried out. The good agreement between the simulation and experiment indicates the accuracy of CFD simulation analysis.

前言

随着我国经济的迅速发展以及人民收入水平的不断提升，汽车已经成为绝大多数人们生活中不可或缺的工具，同时，人们对于汽车舒适性能的要求也越来越高。由于天气原因导致的汽车风窗玻璃结霜的问题严重影响着乘车舒适性及行车安全。因而汽车除霜性能的仿真分析有着重要的意义，同时，如何提高除霜仿真分析的精度是其中關键所在。周会芳等人[1]从不同角度研究了主动除霜与被动除霜的原理及优缺点，阐述了不同除霜方法的进展;江漪澜等人[2]将参数化方法应用到除霜分析中，在优化风道的同时节省了大量时间;任岗等人[3]构建了汽车空调除霜除雾测试系统，通过数据和图像的采集有效提升了试验精度;胡忠辉等人[4]对除霜风口格栅进行优化，并将试验结果与样车阶段试验结果进行对比，验证了分析的准确性。

本文使用CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真分析软件STAR-CCM+对某纯电动车型的除霜系统首先进行稳态分析，改变加密域及首层边界层厚度，记录结果变化情况并进行对比，从控制风险角度出发，选取合适计算模型继续进行除霜瞬态分析。待样车阶段完成除霜试验后，将仿真分析结果与试验结果进行对比，分析二者除霜效果的差异。

1 仿真分析模型

1.1 网格划分

图1、2分别为某纯电动车视野区示意图及除霜风道几何模型。其中，除霜风道网格尺寸为2-3mm，出口格栅网格尺寸为1-2mm，前风窗玻璃及侧窗玻璃（图1所示中的玻璃区域）网格尺寸为4mm，IP面板与风道出口连接处网格尺寸为4-8mm，空调箱网格尺寸为4mm。其余乘员舱部分对结果影响较小，为减少计算时间，可适当加大网格尺寸，保持在12-15mm。

完成面网格划分后将其导入CFD仿真分析软件Star- ccm+中，将面网格质量全部调到0.2以上，网格接近面全部调整到0.1以上。多孔介质区域为trim网格，无边界层;其余为poly网格，边界层3层。

1.2 边界条件

图3为除霜稳态分析物理模型设置，其中气体的密度和粘度取空气在环境温度-18℃（国标[5]要求环境温度为-18±3℃，一般试验时环境舱的环境温度设置为-18℃）下的值：其中密度为1.366kg/m3，粘度为1.622×10-5kg/m·s。入口为质量流量入口，其值为试验测得除霜风道各出风口流量总和，乘员舱出口为压力出口，为1个标准大气压。

2 除霜稳态分析结果对比

首先进行稳态分析，主要判断加密域及首层边界层对结果的影响，以各视野区高速气流覆盖面积百分比来对比不同设置条件下对结果的影响。分3个算例进行，具体设置见表1。

加密域的具体设置为：整个空调箱体加密4mm，视野区周围加密4mm。

设置完成后对各算例依次进行计算，在计算的过程中，为更加直观的观察结果是否有较好的收敛性，可在计算前对除霜风道出风口流量进行监测，待其流量值稳定后，认为流场已收敛，取此时的计算结果进行对比。各视野区高速气流覆盖面积百分比见表2所示。

2  视野区高速气流覆盖面积百分比（%）

通过对比上表稳态计算结果，在首层边界层厚度为0.6mm时，分析模型是否加密对于各视野区高速气流覆盖面积百分比影响较小，在此可以忽略，而加密后的分析模型相较与未加密的模型体网格增加300万，因此，为了减少计算时间，分析模型无需进行上述加密。

case3在case2的基础上首层边界层厚度由0.6mm增加至0.9mm，各视野区高速气流覆盖面积急剧增加，分析结果较理想，而前期仿真分析主要是为了降低风险，因而，从风险控制的角度来讲，首层边界层厚度设置为0.6mm。

通过上述对比分析，case2为最优设置，下一步工作基于case2模型进行除霜瞬态分析。

3 除霜瞬态仿真分析

除霜瞬态分析可以直观的参照国标[5]判断除霜性能是否合格，便于在汽车开发阶段发现问题，及时进行优化至合格，降低风险，同时也是连接除霜稳态计算和后期进行试验对比的关键步骤。一般根据经验，当风挡玻璃视野区高速气流覆盖面积达到一定值后，可判断除霜性能已合格。若空调专业可提供风道入口温升曲线，则可在稳态分析的基础上继续进行瞬态分析，更加直接的观察视野区霜层随时间变化的融化面积。

瞬态除霜分析是在稳态分析模型基础上在玻璃外表面加入霜层，模拟霜层融冰过程，因而需要对玻璃进行拉伸，拉伸层数为5层，拉伸率为1，拉伸厚度为玻璃实际厚度。环境温度-18℃，计算时间为1800s，一个时间步长为1s，每个时间步长内部迭代步数为8。为了便于与试验进行对比，除霜瞬态仿真分析模型中的温度输入及霜层厚度（国标[5]规定为0.5mm）均采用试验测试数据。除此之外，还需更改物理模型中的部分选项，具体设置如下图4所示。

在稳态分析模型基础上设置完成后开始计算，图5为主要时刻前风窗玻璃霜层融化结果图。表3为风窗玻璃霜层融化率结果汇总。

仿真分析结果表明，15min时刻，B区底部霜层开始融化;20min时刻，A区及A区霜层融化90%左右;25min时刻，A区及A区霜层完全融化，B区霜层融化97%。整体除霜效果较好。

4 除霜性能试验

除霜风道数据在稳态分析合格的基础上进行开模，并进行除霜试验。下图6为在环境温度-18℃的环境舱进行的除霜试验结果，表4为试验与仿真分析结果对比。

试验进行15min，A区、A区及B区霜层融化区域大于仿真分析结果;试验进行20min，A区、A区及B区霜层融化区域与仿真分析结果基本一致;试验进行25min，前风窗玻璃视野区霜层基本全部融化，与仿真分析结果一致。

通过对比除霜性能试验与仿真分析结果的霜层融化趋势及融化率可以看出，不同时刻，除霜瞬态分析与试验结果基本一致，且试验效果略优于仿真分析，在满足国标的同时有利于风险控制。

5 结论

本文首先对某电动车型进行除霜稳态分析，主要验证了加密域及首层边界层尺寸对结果的影响。仿真分析结果表明，空调箱及风窗玻璃视野区附近是否加密对结果无影响;而当首层边界层由0.6mm增加至0.9mm后，视野区高速气流覆盖面积大幅度增加，不利于风险控制。

在首层边界层为0.6mm，空调箱及风窗玻璃视野区附近未加密的稳态计算模型上继续进行除霜瞬态分析，并与试验结果进行对比，结果显示，不同时刻，试验与仿真分析结果的霜层融化趋势基本一致，验证了CFD仿真分析具有较高的精確度，可在汽车开发阶段通过CFD仿真分析的方法进行优化来控制风险，为整车开发提供一定的参考价值。

参考文献

[1] 周会芳，臧润清.除霜方法的研究及进展[J].制冷技术;2019， 47（12）： 78-84.

[2] 江漪澜，冯伟，冷兴灼.参数化方法在除霜分析中的应用[J].汽车实用技术; 2019， （22）： 48-50.

[3] 任岗，宁红.汽车空调除霜除雾性能测试方法研究[J].汽车实用技术; 2019， （7）： 59-61.

[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] 中国国家标准化管理委员会. GBT24552-2009.电动汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验要求及试验方法标准[S].北京：中国标准出版社， 2009.