基于CFD分析的某车型空调除霜试验不合格的优化改进

李 伟

（安徽江淮汽车集团股份有限公司 技术中心，安徽 合肥 230601）

目前汽车在国内的保有量逐渐增多，随着人民生活水平的提高汽车市场的竞争也更加激烈化。空调性能是整车性能以及客户感官评价的一个重要指标，而评价空调性能的一个重要参数就是除霜/除雾性能[1]。在冬天行车和阴雨天行车时，由于整车车内和车外的湿度、温度不一致，会导致车辆玻璃上产生雾气，严重的会结霜，车辆行驶过程中玻璃上产生的雾气会影响驾驶员的视野，存在行车安全隐患，必须要花费最短的时间除去车窗玻璃上的雾气或霜层。

1 问题现状

某车型在试验场做除霜试验时发现，乘员侧除霜速度较慢、效果差、影响驾驶、除霜不满足技术要求、性能不合格。针对此问题，本文以某型汽车空调风道的三维模型为分析对象，利用ANSA& Fluent软件进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟分析，针对分析结果对风道进行优化，提升整车空调除霜性能[2]。

2 问题分析

通过试验数据发现，10分钟内A区除净面积比例为100%，A'区除净面积比例为98%，达到标准要求的10分钟A区、A'区除净面积比例大于等于80%的要求，如图1所示；左侧窗10分钟内1区、2区除净面积比例为100%，达到标准要求的10分钟D区、E区除净面积比例大于等于90%的要求，如图2所示；右侧窗10分钟内1区、2区除净面积比例为60%，未达到标准要求的10分钟1区、2区除净面积比例大于等于90%的要求，如图3所示，该状态除霜性能不合格。针对试验不合格车辆的除霜风道数据做CFD分析，查看CFD分析结果是否与试验结果一致，以便于研究整改方向。

图1 前挡风玻璃除霜效果图

图2 左侧窗除霜效果图

图3 右侧窗除霜效果图

2.1 建立模型

根据数模建立CFD分析模型。采用数模为空调主机、前除霜风道、左侧除霜风道、右侧除霜风道、前围板、前挡风玻璃、左侧窗玻璃、右侧窗玻璃、仪表台、车厢内饰和地板（参照GB 11556标准将前挡风玻璃划分为A区、A'区和B区三个区域，其中B区包括A区和A'区，侧窗玻璃上的除霜区域根据总布置提供的驾驶员视野范围来进行确定）。

将风道表面生成非结构化三角形网格，单元大小约为 2 mm；模型内部空气域生成非结构化Poly网格，长度约为10 mm。为了能够更精确地模拟近壁面区域流体的流动情况，从模型壁面开始向内拉伸 3层棱柱形网格。其中单元总数约为530万[3]，且网格连续、均匀、过渡平缓。

CFD分析输入条件如表1—表3所示[4]。

表1 风口压力

表3 暖芯

表2 蒸发器

2.2 标准要求

1.流量分配

前除霜风口的流量占 80%±6%；左侧除霜风口的流量占 10%±3%，右侧除霜风口的流量占10%±3%。

2.气流吹拂速度

1）前除霜气流吹拂速度。A区风速要大于等于2.5 m/s；A'区风速要大于等于2.0 m/s；B区风速要大于等于1.5 m/s。

2）侧除霜气流吹拂速度。驾驶侧风速要大于等于1.5 m/s；乘员侧风速要大于等于1.5 m/s。

2.3 计算CFD分析结果

2.3.1 计算流量分配结果

前除霜风道流量占总流量的86.3%，左侧除霜风道流量占总流量的7.2%，右侧除霜风道流量占总流量的 6.37%，其中中左前除霜风口风量为17%，中央前除霜风口风量为46.6%，中右前除霜风口风量为22.7%。不满足设计目标。由各出风口的分风比可知，右侧出风口的风量偏小，达不到10%±3%的目标值，这也是右侧玻璃除霜效果不理想的原因。

2.3.2 风速分配

由图4 可知前挡风玻璃上的A区平均风速为1.15 m/s；A'区平均风速为1.85 m/s；B区平均风速为1.66 m/s，由于前除霜风道中左出风口局部缺流（图中标示区域），导致A区局部风速偏低。

由图4—图6风速云图可知，前挡风玻璃及两侧侧窗玻璃上各区的平均风速都较小，远远达不到2 m/s的风速要求，若想达到2 m/s的风速要求，需要对除霜风道的结构进行优化设计（视角方向：从车外向车内）。

图4 前挡风玻璃风速云图

图6 右侧窗玻璃风速云图

2.3.3 流线图

由图7—图9可知前除霜气流撞击前挡风玻璃后未能均匀散开；前除霜气流中间部位存在局部混乱，并存在气流干扰现象；副驾侧除霜气流与玻璃撞击点偏低，气流吹击玻璃后扩散效果较均匀。

图7 前挡风玻璃流线图

图9 副驾侧窗流线图

图8 主驾侧窗流线图

2.4 改进方案

2.4.1 前除霜风道改进方案

由于前除霜风道中左出风口局部缺流，现对前除霜风道左右区域的导流板进行重新布置[5]，对中出风口附近的V板造型进行优化，向右侧偏移8 mm，如图10所示。

2.4.2 侧除霜风道改进方案

由图5可知，驾驶员通过左侧除霜风道出风方向及左侧窗上的落点方框看左后视镜，左侧除霜风道出风方向在左侧窗上的落点靠近方框，驾驶员看左后视镜的区域偏下，通过修改左侧除霜风道的导风方向可以优化左除霜效果，修改后的数据如图11所示。

图5 左侧窗玻璃风速云图

图11 左前除霜风道

由图6可知，驾驶员通过右侧除霜风道出风方向及右侧窗上的落点上部方框看右后视镜，驾驶员通过下部方框看右广角视镜，通过修改右侧除霜风道的导风方向可以优化右除霜效果，修改后的数据如图12所示。

3 方案验证

3.1 CFD分析结果

前除霜风道流量占总流量的85.06%，左侧除霜风道流量占总流量的7.57%，右侧除霜风道流量占总流量的7.37%，流量分配满足要求。

由图13可知，A区平均风速为1.66 m/s；A'区平均风速为1.69 m/s；B区平均风速为1.73 m/s，整个前挡风玻璃平均风速为1.55 m/s，修改后前挡风玻璃风速分布均匀，效果理想。

图13 前挡风玻璃风速云图

由图14、图15可知，左侧窗玻璃平均风速为1.2 m/s，右侧窗玻璃平均风速为1.73 m/s，较整改前有很大的提升。

图14 左侧窗玻璃风速云图

图15 右侧窗玻璃风速云图

由图16可知，前除霜气流能撞击挡风玻璃后能较好贴合玻璃；前除霜气流主驾侧局部干涉；前除霜气流趋势基本合理。

图16 前挡风玻璃流线图

由图17、图18可知，主驾侧侧除霜气流撞击点偏高；右侧侧除霜气流较为理想但侧窗上方局部气流流速偏低。

图17 左侧侧窗流线图

图18 右侧侧窗流线图

3.2 环境仓验证

对整改后状态的风道进行除雾对比试验，验证整改后的风道空调除雾性能是否满足标准要求，验证效果如图19—图21所示。

图19 前挡风玻璃除霜效果图

图20 左侧窗除霜效果图

图21 右侧窗除霜效果图

前挡风玻璃除雾面积比例如表4所示。

表4 改进前/改进后除霜试验对比

结果显示，1）左侧窗：整改状态10 min内完全除尽，优于原状态，不影响观看后视镜；2）右侧窗：整改状态10 min内完全除尽，优于原状态，不影响观看后视镜。

4 总结

本文依托CFD分析对除霜风道的除霜效果进行优化设计，大大提升了前挡风玻璃及左右侧除霜玻璃上可视区域的平均风速以及风速分布[6]，通过后面的试验舱试验也验证了整改后的除霜效果满足试验要求，达到了预期的整改效果。