基于STAR-CCM+的汽车除霜分析

2014-06-22胡忠辉史东林张俊岩邹佳异

汽车工程师 2014年3期

胡忠辉史东林张俊岩邹佳异

（长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心）

汽车空调的除霜性能直接影响驾驶员的视野情况及驾驶安全，是衡量空调系统性能的关键指标。传统的空调系统设计主要依赖经验，试制后进行测试，难以得到流场的详细信息，需要反复试制和测试，增加汽车开发成本，延长开发时间。而CFD 分析能够得到详细的流场信息，不但可以验证设计的合理性，也可以为设计改进提供依据，并且能够大大缩短开发时间，大幅降低开发成本[1-3]。由于影响除霜分析结果的因素较多，文章依据GB 11555—2009《汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法》[4]，以商用CFD 软件STAR-CCM+为主要研究工具，在大量的数据积累和验证计算的基础上，研究了除霜分析计算过程中玻璃内表面第1 层网格厚度以及模型计算域的大小处理对计算结果的影响。

1 计算模型及边界条件

1.1 基础理论

STAR-CCM+中挡风玻璃和侧窗玻璃的除霜分析包括稳态分析和瞬态分析2 个过程。

稳态分析关注风窗玻璃和侧窗玻璃各区域表面的气体流动速度大小；而瞬态分析关注风窗玻璃和侧窗玻璃各区域霜层厚度随时间的变化，需考虑乘员舱内部温度场对玻璃内表面的对流传热、玻璃的热传导以及霜层的融化。

1）乘员舱内部温度场对玻璃内表面的对流传热计算式为：

式中：Φ——热流量，W；

h——表面传热系数，W/(m2·℃)；

A——表面面积，m2；

tc——乘员舱内空气温度，℃；

tg1——玻璃内表面温度，℃。

2）玻璃内表面到玻璃外表面的热传导计算式为：

式中：λ——热导率，-λ 表示热量传递方向与温度升高方向相反，W/(m·℃)；

tg2——玻璃外表面温度，℃；

x——玻璃厚度，m。

3）STAR-CCM+中霜层融化原理图，如图1 所示，其中假设融化的霜变成水后全部流走，不残留在玻璃或冰层上，且不再凝固为霜，即

根据图1 得到整个除霜过程的能量平衡方程为：

其中：q=Φdt。

则霜层厚度随时间的变化方程为：

hs（Tice）——霜在初始状态下的焓，J/kg；

q——乘员舱通过玻璃传递给霜的热量，J；

t——时间，s；

hL（TF）——霜在刚好融化为水临界状态下的焓，J/kg；

Cemp——霜吸收热量占总热量的经验系数；

s——霜层厚度，m；

ρs——霜层体积质量，kg/m3。

1.2 计算模型建立

根据整车除霜区域建立除霜系统封闭腔体的模型，如图2 所示。

1.3 边界条件

流体区域空气假定为不可压气体，湍流模型选择Realizable K-Epsilon 模型，采用2 阶迎风差分格式进行空间离散，迭代方式采用Simple 算法，玻璃表面位置激活thin film 模拟霜层，霜层厚度设定为0.5 mm，详细边界设定如下：

1）环境温度为-18 ℃；

2）除霜风道入口气流速度为10.834 m/s，入口温度随时间变化的曲线，如图3 所示；

3）出口边界为自由流出口；

4）其他边界为壁面边界，初始温度均为-18 ℃。

2 结果分析

2.1 第1 层网格厚度对比

针对第1 层网格厚度影响，提出方案1（0.4 mm）和方案2（1.2 mm），2种方案的其他设置均相同。分别建立计算模型，经过3 000 步的稳态计算，已达到收敛，得到玻璃内表面的气体流动速度分布，如图4 所示。

如图4 所示，对比玻璃内表面速度大于1.8 m/s 的红色区域，方案1 明显小于方案2，其主要原因是玻璃内表面第1 层网格厚度影响所致。因STAR-CCM+作为一款有限体积法计算流体动力学软件，其玻璃内表面速度为第1 层网格节点上的速度。由于空气粘性的作用，在玻璃内表面将形成速度边界层，其速度值是随远离壁面的程度而逐渐增大，故会造成边界层内第1 层网格厚度不同，从而使读取的速度分布不一致[5]。

因此，在稳态除霜分析时，应首先确定第1 层网格厚度，进而用玻璃内表面速度大小和区域来衡量除霜效果。

2.2 计算域对比

除霜分析模型计算域的大小通常有完整乘员舱模型和B 柱前（不完整）乘员舱模型2种，如图5 和图6所示，分别对2种模型进行稳态和瞬态分析对比。

2.2.1 稳态除霜分析

针对完整乘员舱与不完整乘员舱模型计算域大小，提出2种方案，如表1 所示。经过3 000 步的稳态计算，模型已达到收敛，得到计算时间、各出风口风速和风量分配，如图7 和图8 所示。

表1 除霜分析2种方案对比表

由表2 可知，由于计算域的减小，在体网格各项设置相同的情况下，体网格数量明显下降，最终使方案2计算时间减少30%；由图7 可知，由于计算区域的减小，出风口速度有所增加，但最大增加量仅为1%；由图8 可知，各出风口风量分配不变。

综上，在工程设计阶段需要分析风量分配时，可考虑建立不完整乘员舱模型计算除霜风道各出风口风量分配，从而减少计算时间，以便更快速地为设计人员提供分析结果。

2.2.2 瞬态除霜分析

在稳态计算收敛的基础上，对表1 中的2种方案进行瞬态计算20 min 后，霜层已全部除净。图9 示出玻璃表面瞬态除霜时间-面积对比图。

由图9 可知，由于计算域的减小，各时刻的除霜面积比有所增加，16 min 时不完整乘员舱比完整乘员舱增加了约8%，其原因主要有2种：第1 种是不完整乘员舱模型各出风口速度较大，使其玻璃内表面与舱内空气的表面传热系数较完整乘员舱模型大，其热流量大；第2种是不完整乘员舱模型计算域较小，在相同热量的情况下，其温升较完整乘员舱模型快，玻璃内表面与乘员舱温差较大，玻璃内热流量大。2种原因均使不完整乘员舱模型较完整乘员舱模型的热流量大，从而除霜速度较快，使其结果与试验结果偏差较大。因此，为保证瞬态除霜分析与试验结果有可对比性，应建立完整乘员舱模型进行瞬态除霜分析。