汽车挡风玻璃除霜性能数值模拟分析

杜子学，叶双平

（重庆交通大学，重庆 400074）

汽车挡风玻璃除霜性能数值模拟分析

杜子学，叶双平

（重庆交通大学，重庆 400074）

本文采用计算流体力学软件STAR-CCM+对某新开发汽车除霜风道进行数值模拟。通过稳态计算来预测汽车的除霜性能，对除霜效果进行了探讨，并进行了试验。对比模拟结果和试验结果总体比较接近，验证了CFD模拟的的可靠性，为汽车挡风玻璃除霜效果模拟工程提供了参考。

计算流体力学；除霜；数值模拟；前风挡玻璃

前言

汽车风窗玻璃结霜起雾是汽车行驶过程中经常遇到的问题，会严重影响驾驶员视野，从而对行车安全产生危害，因此预测汽车除霜除雾的性能是汽车设计开发阶段一项重要工作。预测汽车挡风玻璃的除霜性能通常有两种方法：传统经验设计加试验验证方法和数值模拟分析。传统经验设计加试验方法是在汽车开发后期整车研制出来后，按照国标GB 11555-2009[1]试验方法对样车进行除霜性能试验，此时改变除霜风道可能会涉及布置、内饰甚至模具的修改，成本和代价很大。数值模拟分析是在新车开发的初始阶段，用CFD方法预测除霜除雾的效果，如果事先能利用数值计算得到风道内的流场情况,将对提高除霜性能起到一定的指导作用, 减少反复试验造成的浪费。这种基于CFD数值仿真技术的除霜风道优化设计方法能大幅度提高设计产品的质量，降低设计成本，缩短设计周期，并可克服传统设计方法的缺点与不足。

本文通过国内某知名汽车新车型的项目开发，在开发时期用CFD的方法来预测该车的除霜性能，

对计算结果进行分析和讨论，通过试验对比分析该仿真分析方法的可靠性和精确性。

1、汽车除霜范围及性能要求

1.1 汽车除霜范围的确定

汽车前方视野主要是根据驾驶员视野确定的，GB 11555-2009[1]规定的理论除霜区域如下图1、图2：

1.2 汽车除霜要求

除霜性能作为国家标准中强制检测的一项指标，国标GB 11555-2009[1]对汽车风窗玻璃除霜系统性能有明确的规定，要求①试验开始后20min时，至少应将A区的80%面积的霜除净；②试验开始后25min时。至少应将A'区的80%面积的霜除净；③试验开始后40min时，至少应将B区的95%面积的霜除净。

在历史教学过程中培养学生的核心素养，需要重视对学生历史思维的构建，教师在进行历史教学的过程中，首先需要改变传统教学模式中的填鸭式教学，传统的填鸭式教学会导致学生机械式的学习方式与接受能力，对历史事件缺乏自身的见解与思维。因此，教师需要改进教育教学方式，在创新教学模式的基础上，帮助学生进行探究学习和自主学习，在此基础上，教师对学生的学习进行适时正确的引导，带领学生以客观的思维进行历史事件和历史人物的分析。

2、车室内空气流动控制方程和数值方法

除霜风道和车室的壁面是非剪切边界，考虑到湍流的影响，采用Realizable k-ε模型。Realizable k-ε模型中引入了转动速率张量的有关内容，使之能够很好的模拟旋转均匀剪切流、自由流及边界层流动。关于k和ε的计算式如下：

式中，k为湍流动能；ε为湍流耗散率；μ为分子粘性系数，μt为湍流粘性系数，

3、模型的建立和计算方法

3.1 物理模型和网格划分

根据整车除霜区域进行除霜系统封闭腔体的几何搭建（图3），包括车窗玻璃、内饰件、座椅和除霜风道等。同时在不影响计算精度的前提下对模型做了一些简化处理，除去不必要的信息，对一些缝隙进行了修理。但是关键部件如扰流板、风道内壁未作任何简化。

在划分体网格时采用多出局部加密，用以增加关键区域的网格数量提高计算结果精确度。为了防止气流回流，在入口和出口处都采取了法向拉伸，得到求解域的体网格数量为1500万，计算域体网格模型如图5：

3.2 边界条件和计算设置

计算中假定空气为不可压缩气体，湍流模型为Realizable K-epsilon模型．空间离散采用二阶迎风差分格式[2]，迭代方式选用Simple算法。计算边界条件如下：入口空气为270m³/h；出口边界为压力出口，背压为0Pa；其他边界为壁面边界。

4、计算结果和分析

由于瞬态计算需要花费大量的时间，工程上已将GB 11555-2009标准转化成稳态计算时的速度标准，即A区、A'区近壁气体流速在2m/s以上的面积超过80%以上，B区近壁气体流速在1.5m/s以上的面积超过80%以上，即认为可以满足国标要求。因此，本文将先从稳态计算来分析前挡风玻璃的除霜效果。

流量的分配与除霜性能密切相关，其为关键的考查点之一。通过流量统计获得 风道各出口流量分配值，中间约为79.6%，左右两侧分别为9.9%、10.5%。对比项目开发的目标值（中间为80±2%，两侧为l0±2%），各个出口流量分配比例合理，满足设计要求。

4.1 前挡风玻璃的稳态流场分析

从图6可以看出从风管中流出的气流沿左中右三个出口流入乘员舱，在前后座椅的阻挡下产生回流，并最终在搁物板出口处流出。由图7可知从风管中间出口流出的气流沿前风挡较均匀的延展，无明显的缺流区域，预测除霜效果良好。

由图8、图9的速度分布可以看出A区和A'基本对称，这与风道对称相关，左右气流分别成扇形

散开。由于气流击点位置合适，速度分布形状比较合理，除霜区域内基本不存在死区。A区和A'及B区大部分都有合理的气流速度。其中A区近壁气体流速在2m/s以上的面积比列为86.5%，A'区近壁气体流速在2m/s以上的面积比列为93.2%，B区近壁气体流速在1.5m/s以上的面积比列为82.5%，从以上分析可知除霜性能满足法规要求。

4.2 侧窗玻璃的稳态流场分析

侧窗玻璃除霜没有法规要求．但是会影响到用户对后视镜的观察。在汽车玻璃出现霜雾并且在执行减速停车或通过弯道或超越前方车辆，我们希望能够从内外后视镜、特别是外后视镜中观察到安全的行车路况，因此对前侧玻璃的除霜性能分析很有必要。

由图10可知驾驶侧及副驾驶侧风窗气流近壁速度在2m/s以上的区域已完全覆盖左右后视镜投影区，虽然驾驶侧气流击点不在左视镜投影区，但它在投影区前方，这样有利于气流向投影区流动。因此该款车的侧除霜性能能达到汽车安全行驶要。

5、试验验证

依据GB 11556-1994的除霜试验方法,在环境舱中进行一l8℃的除霜试验。首先开始除霜的区域在挡风玻璃靠近中间出口处，随着时间的增加，除霜区域慢慢开始扩大，通过CFD模拟的除霜稳态效果和试验结果比较可知，数值计算和试验结果总体比较接近。

6、结论

文中在某新车型开发前期采用CFD的方法对挡风玻璃的除霜性能进行了数值模拟，并通过试验验证了本文采用的数值模拟方法，从而表明该车型有较好的除霜效果，满足国标要求。

(1) 模型的网格密度，网格类型，网格质量，会对计算的速度和精度产生影响，文中采用局部网格加密来提高计算精度和收敛速度。

（2）数值模拟计算得到风道内的流场情况对改善汽车的除霜性能起到一定的指导作用，减少反复试验造成的浪费。

（3）工程应用中，为使除霜性能的数值模拟更可能真实，应该考虑有乘员的情况对除霜的影响。

[1] 国家发展和改革委员会．GB11556-94汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求及试验方法．

[2] 张英朝，汽车空气动力学数值模拟技术，北京，北京大学出版社，2011.

Numerical Simulation Analysis on Defrost Performance of Automotive Windshield

Du Zixue, Ye Shuangping
(Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074)

A new car defrosting duct is numerically simulated by using the computational fluid dynamics software STAR - CCM +．Defrosting performance of car is predicated by steady state calculation.So the defrosting effects are investigated and tests are conducted．Experiment results are similar to the simulation results. Then the reliability of numerical simulation is verified , providing reference for the engineering application of vehicle defrosting.

Computational fluid dynamics(CFD); defrosting duct; numerically simulation; windshield

U463.835

A

1671-7988(2014)03-36-04

杜子学，博士，重庆交通大学教授，研究领域为现代车辆（汽车）设计方法与理论和载运工具运行品质、交通安全。