基于露点差阈值法对车灯起雾风险的研究

丁博岩，何 渊，郑志军，吕 浩，徐浩文，金立军

(上汽大众汽车有限公司，上海 201800)

引言

汽车灯具不仅是整车造型的重点，并且对整车的安全性有着重要的影响。车灯起雾问题严重影响到了汽车的外观和安全，因此解决车灯起雾问题迫在眉睫。

在分析和解决车灯起雾问题中，对车灯起雾的模拟分析至关重要。在试装和批量之前，通过模拟仿真的方式把车灯起雾的情况、位置和原因分析清楚，才能在开发设计阶段通过各种手段来减少车灯起雾发生的可能性[1]。目前，对车灯起雾的模拟通常按照对车灯外配在降温起雾后消雾阶段的液膜情况进行分析。但是由于液膜只能从模拟的角度判断是否消雾完成，而无法针对潜在的起雾及难以消雾的风险区域进行评估，更无法对风险性区域进行定性分析。

本文通过对车灯起雾的原因进行分析，提出了一种基于有限元仿真判断车灯起雾和对潜在的起雾风险区域进行量化评判的模拟方法：采用车灯外配内表面全露点差阈值方法判断分析车灯起雾风险。通过该方法，不仅可以对车灯外配是否起雾、起雾位置和起雾程度做一个直接、准确的判断，同时还能够判断潜在的起雾风险区域并对其量化分析，从而在开发设计阶段就针对车灯起雾风险区域做一些优化措施来避免风险。

1 露点差阈值评判方法

1.1 露点差的含义与定义

结雾是空气内的水汽遇到冷的表面而在表面上凝结成雾气或水珠的自然物理现象。

造成这种现象的主要原因是空气的温度低于空气的露点，使得空气中的一部分水蒸气无法以气体的形式存在空气中，从而以液体的形式被释放出来，产生雾气[2]。

露点差Dtd是指环境温度和露点的差值，当露点差大于0 ℃时，表示环境温度大于露点，此时不会产生雾气。露点差越大表示温度越远高于露点，起雾的风险也越低。当露点差越接近于0 ℃，表示此时环境温度越接近于露点，因此起雾的风险也越高，一旦温度稍微降低，或者空气中湿度稍微升高(露点升高)，则有可能发生温度低于露点而导致起雾的现象发生。当露点差等于0 ℃时，环境温度等于露点，此时空气中的水蒸气达到饱和状态，相对湿度达到100%；当露点差小于0 ℃，则环境温度低于露点，此时会产生雾气。因此起雾风险的大小可以通过露点差的概念来判断[3]。

1.2 物体表面露点差的计算

根据《地面气象观测规范第6部分：空气温度和湿度的观测》(QX/T 50—2007)标准，露点温度Td可采用新系数的马格拉斯公式求出初值，再用逐渐逼近(最多三次方)方法求出露点Td(℃)[4]：

(1)

式中，e表示水汽压，单位为百帕(hPa)；E0表示0 ℃时的饱和水汽压，取值为6.1078 hPa；a表示系数，取7.69；b表示系数，取243.92。

式(1)中的水汽压e可以通过相对湿度进行计算：

(2)

式中，U表示相对湿度，单位为百分率(%)；Ew表示干球温度t所对应的纯水平液面饱和水汽压，单位为百帕(hPa)可用式(3)进行计算：

(3)

式中，Ew表示纯水平液面饱和水汽压，单位为百帕(hPa)；T1表示水的三相点温度，273.16 K；T表示绝对温度，单位为开尔文(K)，T=273.15+t℃；t表示环境温度，单位为摄氏度(℃)。

通过上述公式可以看出，露点的计算与温度以及相对湿度有关。而露点差可以通过环境温度和已经计算出的露点的差值计算得出：

Dtd=t-Td

(4)

其中：t表示环境温度；Td表示露点温度。

1.3 露点差阈值

露点差阈值(Dtd)是指，当露点差大于此阈值时，起雾的风险较低且消雾较易；而当露点差小于此阈值时，起雾的风险较高且消雾较难。

根据模拟条件和实际车灯实验结果，本文采用露点差阈值的经验值为2 ℃(与下文所提出的雾气模拟条件相关联，不同的模拟条件可以采用不同的露点差阈值)。即当露点差小于经验露点差阈值2 ℃的区域是有雾气风险的，露点差大于经验露点差阈值2 ℃的区域雾气风险较低。

1.4 露点差阈值对车灯起雾模拟上的应用

在1.3节提到，判断起雾风险可以直接通过是否小于露点差阈值来判断，而露点差的计算与温度以及相对湿度有关，因此汽车外配内表面上每一点的露点差都是不同的。可以通过有限元模拟，得到车灯外配表面每一点的温度以及相对湿度，再利用式(1)～式(4)计算车灯外配每一个点的露点差，再通过露点差是否小于露点差阈值来判断起雾风险，此流程如图1所示。

图1 露点差判断汽车外配起雾风险流程图Fig.1 Flowchart for determining the risk of automotive exterior fogging by dew point difference

2 露点差阈值法的模拟验证

2.1 模拟条件

模拟针对某实验尾灯的A灯进行雾气仿真，模拟条件如下：

第一步，设置初始环境温度35 ℃，开灯状态下外配侧的给予一定对流换热系数。

第二步，仿真快速降温起雾过程，外配侧温度设置为降温温度，并且对流换热系数提高，使得外配的温度迅速降低以达到起雾的目的，同时壳体处对流换热系数保持不变且温度降低。此阶段下为关灯状态且持续3 min。

第三步，仿真消雾阶段，此时对流换热系数调整到最初始条件：保持温度为第二步骤壳体温度，且持续60 min。

一般地，仿真结果在开始消雾后60 min内雾气全部消散则认为灯具的雾气是低风险。

2.2 液膜模拟结果

图2为消雾过程10～60 min的液膜厚度图，蓝色区域为液膜厚度为0的区域，即无雾气区域；而非蓝色区域就是液膜厚度大于0也就是有雾气的区域。在整个消雾过程中，雾气位置(液膜大于0的位置)是逐步减小的，40 min之后液膜变为0，表示40 min后雾气完全消除。

图2 消雾过程—液膜结果图Fig.2 Mist elimination process-liquid film result diagram

因此，按照通常情况可以判断此实验尾灯的消雾能力是低风险的。

2.3 露点差阈值法模拟结果

进一步，利用露点差阈值法来进行车灯雾气的风险判断。首先通过仿真模拟得到外配的温度和相对湿度结果，再利用式(3)对露点温度进行计算，从而得出整个消雾过程的露点温度。根据相同时刻下的温度和露点温度算出露点差，从而得到整个消雾过程的露点差结果，如图3所示。

图3 消雾过程—露点差结果图Fig.3 Mist elimination process-dew point difference result diagram

由图3可知，露点差从消雾开始大部分区域小于2 ℃开始不断升高，但是在40 min后仍然有部分区域是小于2 ℃的。如果把露点差图按照露点差阈值2 ℃进行不同颜色划分则如图4所示。

图4 消雾过程—按照露点差阈值划分结果图Fig.4 Fogging process-results by dew point difference thresholds

如图4所示，红色区域是露点差大于2 ℃的区域，而蓝色区域是露点差小于2 ℃的区域。可以看出，40 min后在靠近焊接筋处以及外侧处仍有蓝色区域，也就是低于露点差阈值2 ℃的。即虽然在40 min后，从液膜结果图来看是没有雾气的(液膜都为0)，但是从露点差阈值结果来看，靠近焊接筋处以及外侧处是有很大的雾气问题风险的。因为在实际使用中，如果灯体温度降低或者灯腔内相对湿度较高都会导致这部分区域产生较多雾气而无法消除。

2.4 低温环境雾气实验

为了验证露点差阈值法判断车灯外配起雾风险的准确性，对此实验灯具进行低温环境雾气实验。实验条件为：在低温环境下，车辆停止一段时间后，开灯状态下以一定速度开一定距离，如果雾气没有消除则继续关灯继续行驶一定距离看是否雾气消除，最终，如果雾气还是不能消除，则车辆的消雾能力是较差的。

图5为此实验尾灯的实验结果与模拟结果的对比图。从图中可以看出，产生雾气的位置是在靠近焊接筋处以及外侧处，低温环境雾气实验结果与利用露点差阈值法判断的车灯起雾风险区域基本吻合，而这部分起雾区域是利用液膜法无法模拟和判断出来的。

图5 模拟结果与低温环境雾气实验结果对比Fig.5 Comparison of simulation results with results of low-temperature ambient fog experiments

3 总结

(1)汽车车灯起雾问题的研究对汽车照明是非常重要的，而在开发阶段的雾气模拟又是提前判断出车灯起雾风险以及起雾风险区域的第一道也是最重要的一个手段。因此，车灯的雾气模拟非常重要。

(2)传统利用液膜法来模拟车灯起雾的方法虽然可以精确模拟出是否起雾、多久可以消雾，以及尚未消雾的区域。但是由于液膜只有大于0和小于0两个界限，针对有些区域是有潜在的起雾或消雾难的风险，采用液膜仿真结果无法识别。

(3)利用露点差阈值法不仅能精准的判断是否会起雾以及无法消雾的区域，并且通过阈值的量化可以判断车灯外配存在的潜在起雾的区域以及难以消雾的区域。

(4)根据不同的雾气模拟条件可以采用不同的露点差阈值，通过阈值来量化起雾风险提前防范可能起雾的风险区域。