基于动网格技术的风挡除霜新方法的数值模拟

谷正气，汤柱良，陈 阵，黄泰明

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082；2. 湖南工业大学，湖南 株洲 412007)

基于动网格技术的风挡除霜新方法的数值模拟

谷正气1,2，汤柱良1†，陈 阵1，黄泰明1

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082；2. 湖南工业大学，湖南 株洲 412007)

运用CFD方法对某车型挡风玻璃除霜过程数值模拟，针对现有国标规定分区中A区除霜过慢的问题，提出了一种除霜新方法，在风口处设计能绕自身轴线回转的导流叶片，结合动网格技术，计算除霜瞬态过程．结果表明：叶片初始偏转角度为42°，A区的除霜效果最好，努赛尔数提高13.7%，270 s时刻，令叶片以角速度ω=0.073 3rad/s偏转，280s时刻回转至初始位置.A区霜层除去80%面积所需时间与原模型相比缩短60s，在保证除霜完全的基础上优先除去A区霜层，实现驾驶员视野的快速清晰.

计算流体动力学；除霜；动网格

汽车风窗玻璃结霜起雾是人们在日常生活中经常遇到且需要解决的问题，尤其是风挡关键视野区域除霜过慢，导致驾驶员视野不能快速清晰，造成安全隐患.

国内外学者对汽车玻璃除霜除雾性能进行了广泛的研究，文献[1]使用STAR-CD实现了对前挡风玻璃除霜除雾效果的数值模拟.文献[2]将数值仿真结果与试验进行定性对比，验证了CFD方法的准确性.文献[3-4]采用数值仿真与试验验证相结合的方法，计算出风口风量分配，得出玻璃附近的流场分布，对除霜风管和内部结构进行改进，使得除霜效果满足所需要求.文献[5-6]研究了客车风挡的除霜效果，对吹风管道和送风口进行优化改进，针对空调热源不足，采用电阻丝加热方式加快除霜.文献[7]分析了气流从矩形出风口冲击固定倾斜壁面的流体热参数，将仿真结果与试验进行对比.文献[8]提出了一种除霜新方法，在风挡内部喷涂一层透明的材料，通过吸收太阳能解化霜层.文献[9]分析了除霜除雾试验过程和实验设备安装，并采用图像分析方法对除霜效果进行评价.前人所做的工作大多是对除霜管道结构进行优化或者在玻璃处提供额外热源以改善除霜效果，而从空气动力学角度，专门针对提高关键可视区域除霜效果的研究较少.

传统的除霜喷嘴位于风挡玻璃下部，暖气流自下而上扩散开，霜雾也从下边缘逐渐解化，对驾驶员视野影响较大位置的霜雾解化较慢，基于此，本文应用V点确定法，将关键视野区域进行细分，并提出了一种新的风挡除霜方法：设计一出风导向机构，运用动网格技术，使暖气流的方向随着时间变化，首先除去关键视野区域的霜雾，之后导向机构回复至初始位置，融化其他位置的霜层.

1 数值计算方法

1.1 网格划分及边界条件

乘员舱模型如图1所示，由于其内部几何结构复杂，采用四面体网格离散，并对玻璃附近网格进行加密，玻璃厚度4 mm，霜层厚度0.5 mm，玻璃和霜层采用棱柱体网格，网格总数为130万.

图1 乘员舱模型

边界条件：入口设置为速度入口，流量为380 m3/h，出口为压力出口，其余为静止壁面，空气与玻璃、玻璃与霜层之间均为耦合热边界.计算过程中进行如下简化：

1)将霜层视作一种流体，相变过程随温度变化，用液相率σ表征其融化状态，

(1)

其中TS为固相温度;TL为液相温度;σ=1说明解化完成.

2)除霜过程只考虑热传导和热对流，忽略了辐射对除霜的影响.

3)霜层在解化过程中仅发生相变，忽略冰霜融化后的流动.

1.2 湍流模型

不同的湍流模型对流场计算结果会产生显著影响[10].RNGk-ε模型主要通过在大尺度运动和修正后的黏度项体现小尺度的影响，将小尺度运动从控制方程中移除.在对Navier-Stokes方程进行雷诺时均化处理时，引进了雷诺应力项uiuj，为使方程组封闭，必须对雷诺应力做出某种假定，在大量的实验基础上推导出雷诺应力方程如下[11]：

(2)

(3)式中ρ是流体密度;k为湍流动能;ε为湍流动能耗散率;Gk是由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项：

(4)

湍流有效粘性系数μeff：

(5)

式中μt为湍动粘度;μ为动力粘度.

(6)

(7)

(8)

式中η是Kolmogorov长度，表示最小漩涡的特征量;Eij是反映主流的时均应变率;αk，αε，Cμ，C1ε，C2ε，η0，β为经验常数，取以下值：αk=αe=1.39，Cμ=0.0845，C1ε=1.42，C2ε=1.68，η0=4.377，β=0.012．

这种湍流模型通过修正湍流黏度，考虑了平均流动中的旋转流动情况，可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较强的流动，因此它比较适合乘员舱内部流场的仿真计算.

1.3 数值计算方法的试验验证

除霜试验需要环模风洞，成本较高，因此采用类似模型来验证计算方法的合理性，文献[12]采用某轿车风挡及HVAC模块，玻璃倾角39°，厚6mm，导热率1.4W，在挡风玻璃外表面安装一块功率为368W/m2的矩形热板(0.304 8m×0.457 2m)，气流从送风口吹向挡风玻璃，用T型热电偶测得送风气流温度为25.5 ℃，最后采用液晶温度传感器测量热板位置处玻璃内壁的温度分布.为了验证数值方法的准确性，将仿真获得的结果与SubrataRoy的试验结果对比，图2为玻璃内表面Z=0.633 3 m位置点的试验与仿真得出的温度值，试验值与仿真值较吻合，温差在5°以内.图3为热板处玻璃内表面温度分布云图，可以看出，试验与仿真获得的温度分布趋势非常相近.由计算结果可知，该数值计算方法可以用来模拟气流冲击倾斜玻璃面的流动和传热.

位置/m

图3 玻璃内壁温度分布试验结果和仿真结果对比

2 初始模型

2.1 关键可视区域划分

目前，关键可视区域的确定主要方法有2种，一种是SAE提出的眼椭球法；另一种是EEC标准中提出的V点确定法[13].V点即表征驾驶员眼睛位置的点，它与通过驾驶员乘坐位置中心线的纵向铅垂平面、R点(座椅基准点)及设计座椅靠背角有关.此点用于检查汽车视野是否符合要求.通常用两个不同的点V1,V2点来表示V点的不同位置.V点相对R点位置，由三维坐标系的X，Y，Z坐标确定，当座椅靠背角25°时的基本坐标如表1所示.

表1 V点位置

GB 11555-2009[14]沿用欧洲EEC标准，根据人体的视野范围，采用V点确定关键可视区域，将风挡玻璃分为A,A’和B区，对其除霜除雾时间做出规定.其中A和A’区呈对称分布，分别为驾驶员与副驾驶正对视野区域，实际生活中，人们首先关注的是对视野影响较大的位置并希望其霜雾能够快速消失，因此将较重要的A区分成如图4所示的8个域，命名为A1～A8，其中A1和A8分别为从视点V1仰视3°和V2俯视1°区域，A2～A7为驾驶员从视点V1,V2平视区域.

图4 玻璃分区示意图

同时为更加准确地监测霜层的解化过程，将与A,B区相对应位置的霜层分为3部分：命名为Ia,Ib,Ic，分别监测其相变过程，各部分霜层之间以及霜层与玻璃之间采用耦合热边界.

2.2 初始模型除霜效果

观察不同时刻的除霜效果，如图5所示，霜层最先开始解化的区域位于B区的下边缘，此处为暖气流冲击区域，根据射流冲击传热机理，该处的传热传质得到强化，传热系数远高于其他位置，且气流温度较高，因而除霜最先完成；随着时间的推移清晰的区域由下往上逐步扩展，霜层从120 s时刻开始解化，而到320 s左右A区依然没有完全清晰，这种由下向上的除霜模式，导致司乘人员视野区域的霜层融化较慢，关键视野区域不能快速清晰，效果不甚理想.

(a)120 s

(b)200 s

(c)280 s

(d)320 s

为进一步说明造成这种现象的原因，观察风挡内部流场，图6为驾驶室纵截面速度图，可以看出，出风口位于风挡前端，暖气流从风口流出后冲击玻璃壁面，然后向上发散，均匀覆盖玻璃内壁，这样的设计避免了吹风死角，保证了风挡霜雾解化的彻底性，但也导致A区除霜过缓，驾驶员视野不能快速清晰，行车过程中可能造成危险，因此下文在喷口处设计了出风导流装置，使暖气流首先流向A区，将A区大部分霜雾解化后，调整气流方向，再除去其它位置，保证关键视野区域的霜雾快速消失.

3 改进模型

3.1 基本原理

为调整暖气流流向，在喷嘴处添加如图7所示的导向叶片P1,P2，使得暖气流直接流向A区，这样可以明显改善A区的除霜效果，但因此也会导致玻璃下部霜雾难于解化，甚至形成吹风死角，因此将该叶片设计成可绕自身轴向旋转的活动装置，待A区霜雾基本除尽后，改变叶片偏转角度，实现气流方向的调整，基本原理为：初始时间段内，导向片偏转角度使气流吹向A区，待其霜层解化后，叶片回复至初始位置，之后叶片保持静止，即A区霜层解化后，叶片开始运动，公式表示如下：

式中t1为A区除霜完成时刻;t2为叶片偏转后时刻;θ0为初始偏转角度;ω为叶片偏转角速度.

图6 送风口截面速度图

图7 导流叶片几何模型

叶片沿轴向的转动采用动网格方法，Fluent中具有3种动网格模型：弹簧近似光滑模型、动态分层模型和局部重划模型.动态分层模型仅适用于四边形和六面体网格，因此采用弹簧近似光滑和局部重划模型，将导流叶片定义为rigidbody，使之按给定的旋转角速度绕自身中心轴线转动，对导流片附近的网格变形及重新划分，同时计算流动方程和能量方程.

3.2 初始角度选择

叶片偏转角θ决定了暖气流的分布，进而影响除霜效果，为使得A区除霜效果最佳，计算0～50°范围内10组偏转角下A区的努赛尔数Nu，用最小二乘法拟合，得到A1～A8区的Nu随θ变化曲线，可知当叶片偏转角θ在42°左右时Nu达到最大，因此θ0选取42°.

偏转角/(°)

图9为添加导流叶片前后Nu对比，A2,A3,A5,A6,A8的Nu增大10%以上，A6最大为4 055，相比原模型提高41.4%，A1,A4,A7的Nu变化较小，A区域的总的Nu比原模型提高13.7%.

A区域

3.3 时间确定

当θ0=42°时，霜层液相率随时间变化如图10所示，t1=270 s时刻，A区霜层液相率达到0.8，霜层融化80%，基本清晰，B区和C区霜层融化55.5%,25.3%，为使叶片迅速恢复至垂直位置，除去B,C区霜层，令叶片以角速度ω=0.073 3rad/s回转，加载动网格模型.t2=280 s时刻，叶片回转至θ=0°，网格停止运动，为保证计算精度提高效率，在不同时间段内选用不同时间步长，网格变形过程中的时间步长为0.1s，其余为1s，最大迭代次数50次.

3.4 瞬态流场分析

风挡内表面的流场分布随叶片转动而变化，由图11可知，叶片转动前，速度较大的区域集中在A区，使该位置的霜层能快速解化，随着时间推移，逐渐向下移动至B区域，280s时刻停止.

时间/s

(a)270 s

(b)272.5 s

(c)277.5 s

(d)280 s

导流叶片在偏转过程中受到气流冲击，需要克服转矩，图12为导流叶片在纵向截面处的压力分布云图，可以看出叶片在Z方向具有较大的压力梯度，在来流方向P2所受到的压力大于P1，叶片背部存在明显的负压区.

图12 送风口截面压力分布

图13为叶片偏转过程中由于气流冲击所受到的力矩，可以看出，叶片所受力矩均随时间变小，P1的变化率呈先大后小趋势，P2所受力矩为线性变化，这是由于流向P1的气流部分被P2阻滞，所受力矩不仅与自身偏转角度有关还受到P2背部负压区的影响，而P2所受力矩仅与偏转角度有关.

时间/s

3.5 改进模型除霜效果

通过观察除霜瞬态过程可以得出霜层的解化趋势，图14为改进后的除霜瞬态过程，A区霜层最先开始融化，并逐步向四周扩展，在280 s时A1～A8区已部分或完全清晰，A2,A3,A5,A6的霜层最先解化完成，形成一大片完整的视野区域，同时刻原模型仅有一小部分霜层解化.

(a)120 s

(b)200 s

(c)280 s

(d)320 s

(e)800 s

图15为改进前后的除霜瞬态过程中Ia,Ib,Ic的液相率随时间变化趋势，由图可知，改进后Ia的液相率达到0.8所需时间比原模型缩短60 s，保证了关键视野区域的霜层能够迅速解化.

时间/s

4 结 论

本文针对风挡关键视野区域除霜过慢的问题，提出了一种新型方案，在风口位置设计了偏转角度能随时间变化的导向叶片，采用CFD方法，结合动网格技术，验证了该方案理论上的可行性，具体结论如下：

1)与原模型相比，添加导向叶片后，且叶片偏转角度为42°时，A区的努赛尔数提高13.7%.

2)0到270 s内，叶片偏转角度为42°，270 s到280 s内，叶片以角速度ω=0.073 3rad/s回转，最终回复至θ=0°，在此过程中，A区除霜80%所需时间与原模型相比减少1min，在玻璃外表面布满霜层的环境下，实现了驾驶员关键视野区域的快速清晰.

3)将动网格方法运用到汽车内流场的计算，实现了内部边界连续变化，使除霜气流首先流向对驾驶员视野影响较大的A区，提高了A区除霜效率的同时避免造成吹风死角.

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Numerical Simulation of a New Method of Windshield Defrost by Dynamic Mesh

GU Zheng-qi1, 2, TANG Zhu-liang1†, CHEN Zhen1, HUANG Tai-ming1

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body， Hunan Univ, Changsha，Hunan 410082，China; 2. Hunan Univ of Technology, Zhuzhou，Hunan 412007,China)

CFD (computation fluid dynamics) was applied to simulate the vehicle windshield defrosting process. To solve the problem of slow defrosting in area A, a new method was proposed. Four defroster grilles were installed at airflow vents, which can rotate around their center axis. Combined with dynamic mesh, the transient defrosting process was calculated. The results show that, when grilles are deflected to 42 degrees, the Nusselt number of area A improves by 13.7%, making the grilles rotate at 0.0733 rad/s, and the grilles are back to the original position at 280s. Compared with the original model, the time required to defrost area A decreases by 60s. The frost covering area A is removed preferentially, which ensures that the driver's field of vision is clear and quick.

computational fluid dynamics; defrost; dynamic mesh

1674-2974(2015)02-0001-07

2014-05-16

国家自然科学基金资助项目(50975083),National Natural Science Foundation of China(50975083)；交通运输部新世纪十百千人才培养项目(20120222)；“中国高水平汽车自主创新能力建设”项目

谷正气(1963-)，男，湖南长沙人，湖南大学教授，博士†通讯联系人，E-mail:tzliang2007@163.com

U461.1

A