基于FLUENT的车灯冷凝分析

郝珊珊

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213022)

基于FLUENT的车灯冷凝分析

郝珊珊

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213022)

车灯工作时，灯罩内外部温差较明显，且灯腔与外界空气交换较少，加上湿度的影响，灯罩内侧易发生结雾现象，致使车灯外观及行驶安全受到一定的影响。因此，在车灯前期设计阶段进行相关的雾气模拟降低车灯结雾风险、减少开发成本是至关重要的。借助FLUENT软件对某汽车后雾灯结雾的可能性及其结雾区域进行模拟仿真。将实验后的结雾区域与软件模拟结果进行对比，其差异在可接受误差范围之内，缩短了灯具的开发时间，进而降低了开发成本。

车灯；冷凝分析；FLUENT软件

0 引言

由于行业技术的不断提升，消费者对车灯性能、外观的要求越来越严格，外灯罩的冷凝结雾问题就是其中最受关注的问题之一。

如今在灯具的开发过程中主要依靠试验来检测产品的性能，这就意味着在产品满足相关性能要求之前，需要进行大量的试验,这种方法不仅费时费力，而且开发成本较高。而采用软件模拟的方法可以在设计前期给出数据评估，对灯具进行必要的变更，降低灯具冷凝结雾风险，从而大大降低开发成本。因此，软件模拟方法在工程应用中具有一定的实用意义。

1 车灯冷凝

图1为灯具的剖面图，示意车灯内部及其与外部环境的换热机制。

车灯内部的空气流动主要是由于热源加热灯内空气引发的自然对流[1]。光源工作时加热周边空气，使之密度变小而向上运动，此时光源周围出现空位，冷却的空气从光源下方补充进来，从而形成灯腔内部气流流动。

灯罩附近温度相对光源周围空气温度较低，当高温气体从光源附近流动至灯罩内壁面时，会加热灯罩内壁面。由于灯罩面各部分与热源相对位置不一，加热不均匀，导致灯罩壁面温度分布不均匀。若此时灯罩内表面温度低于其附近空气的当下露点温度，就会发生冷凝现象。

露点温度的定义为：在气压和空气中的含水量不变的情况下，冷却空气，直至空气中水蒸气饱和的温度。当气体温度低于露点温度时，水蒸气就会发生凝结[2]。

通过露点计算软件或者湿度计算表可以得到相对湿度和空气露点温度之间的关系。另外一种计算露点温度的方法是通过下列公式(1)和(2)[3]：

(1)

(2)

其中：a=17.27，b=237.7 ℃，T(℃)为温度，Tdew为露点温度。

2 车灯模型和网格划分

灯具的结构较为复杂，多为不规则曲面造型，见图2，当数据从CAD软件导入到ANSYS前处理软件后，会有部分信息丢失，所以在进行网格划分之前，需要很长一段时间来简化三维数据。

首先，对一些狭小的面、夹角尖锐的地方和细小空间等区域进行简化，如果要划出满足求解器要求的网格，则网格尺寸需要划分到很小，这样会产生很多的节点数，很大程度上增加了网格的总数量[4]。外灯罩的内表面处是雾气产生的部位，所以在灯罩内表面靠近空气侧需要划分边界层，边界层划分3层。划分好的灯具网格见图3。

3 控制方程及边界条件

UDF模块是一种用户自定义程序，用此模块来模拟灯具冷凝结雾[5-6]。根据帮助文档进行边界条件设置，根据菲克第一扩散定律计算低浓度流量，再由FLUENT中组分传输方程和能量方程进行控制。带有组分传输的能量方程式如下：

(3.1)

单位质量的能量为:

(3.2)

由组分传输引起的能量源为：

(3.3)

由组分传输引起的热焓传输为：

(3.4)

其中：Ji为组分i的扩散通量(mol/(m2·s))；Di,m为组分i的质量扩散系数(m2/s)；DT,i为扩散系数(mol/m3)。

4 结果

为了衡量模拟的准确性，温度、流场和结雾等结果以不同形式描绘出来。将模拟结果和实验时捕捉到的图像进行对比。

4.1 温度分布

图4和图5分别为外灯罩的模拟结果和红外测温仪的拍摄图片。

当红外测温仪记录图片时，外部温度、相对湿度和辐射等一些外部条件都和模拟时的条件不一样，因此只能对比两图的温度分布趋势，而不是温度值大小。

对比图5中红外测温仪记录的图片可以看出模拟结果和试验结果是相符合的。光源开启时，由于光源的热辐射作用，光束在灯泡正前方的外灯罩上形成高温区，外灯罩上方的高温区主要由热传导与对流形成。当光源关闭一段时间后，外灯罩上灯泡正前方的高温区便逐渐消失。可以看出数值分析可以较好地模拟出热辐射与热对流及热传导的作用。

4.2 速度、湿度分布

灯具内部空气流动速度尤为重要，空气的进出达到平衡时就没有多余的湿空气停留在灯罩内表面上。图6为外灯罩表面的以温度值大小着色的速度分布图。

如图7所示，区域A处的湿空气流速较小，所以气流较难疏散导致新的空气难以补充进来，相反区域B处的空气流速比较大，但是温度较低，所以相对湿度较高。

光源上方热空气向上流动，驱使灯腔内部形成气流。当气流运动到A、B区域灯罩面附近时，流速减小且温度降低，此时相对湿度就会增大(见图8)，由此造成高湿度气流的滞留堆积，形成雾气凝结的高风险区。

4.3 结雾分布

瞬态模拟计算出灯罩处雾气的形成，通过模拟可以看出冷凝主要形成在灯罩下边缘的两个角落，对比模拟和试验结果如图9—11所示。

5 结论

可以看出：虽然数值模拟方法不是尽善尽美的，尤其是在模型前处理和网格划分阶段既费时又费力，但在开发过程中得以实现，能够起到一定的参考价值。此外，文中关于雾气冷凝模拟的方法成功实现。

数值模拟在产品开发过程中是一种强有力的工具，在设计前期就可以进行设计变更从而减小试验支出，所以今后可以在某些边界的设置方面，比如透气孔设置、半透明材料的透过性等，进行更加深入的研究，以提高模拟的精确度。

【1】孟小文．汽车车灯的热分析研究[D]．上海：同济大学，2007．

【2】杨世铭，陶文铨．传热学[M]．北京：高等教育出版社，1998．

【3】BAHRENBURG A W T.Psychrometry and Psychometricc Charts[M].3rd ed.Cape Town:S.A.Cape and Transvaal Printers Ltd.,1974.

【4】LOGAN Daryl L.有限元方法基础教程[M]．伍义生,译．北京：电子工业出版社，2003.

【5】FLUENT 12 Users Guide[M].

【6】FLUENT 12 Theory Guide[M].

汽车巨头加速布局 燃料电池惹关注

丰田、现代、本田、奥迪等汽车巨头的燃料电池汽车商业化必将在资本市场掀起一波燃料电池热潮，投资者可重点关注产业链上游优质的燃料电池相关供应商。

前一阶段新能源汽车产业链受到市场广泛关注，在二级市场上掀起了一波又一波炒作。值得注意的是，奥迪或将在2016年1月举办的2016年底特律车展上推出一款氢燃料电池SUV概念车，丰田、现代此前均表示将于2015年商业化燃料电池汽车。丰田、现代、本田、奥迪等汽车巨头的燃料电池汽车商业化必将在资本市场掀起一波燃料电池热潮。

汽车巨头加速布局

根据Autobild的报道，奥迪或将在2016年1月举办的2016年底特律车展上推出一款氢燃料电池SUV概念车，整体外观与e-tron相似，最大的区别在于动力方式的不同，而参考e-tron的命名方式，这款氢燃料电池车的名称或将为h-tron。

在氢燃料电池汽车领域，奥迪其实之前也有过不少尝试，比如在2014年洛杉矶车展上展出的氢燃料电池版A7 h-tron概念车。这款A7前后轴上各安装有一个电动机，并且内置的锂离子电池还能通过充电口充电，来作为氢燃料的补充。

与最近几年蓬勃发展的电动汽车相比，虽然氢燃料电池汽车的关注度不如前者，但其实市面上已经有一些氢燃料电池车型了，比如现代氢燃料电池版Tucson、丰田Mirai以及本田将于2016年正式推出的氢燃料电池版Clarity。当然，氢燃料电池车如果想要进一步发展的话，燃料销售网络的问题还需要得到进一步的解决。

美日欧等发达国家大多已完成燃料电池汽车基本性能的研发阶段，解决了若干关键技术问题。全球燃料电池汽车巨头丰田宣布，在2020年底之前的市场导入初期，将无偿提供其独有的包括燃料电池组、高压储氢罐、燃料电池控制系统等在内的燃料电池相关专利使用权，共计5680项，2015东京车展上，本田也正式发布了旗下氢燃料电池车型FCV的量产版车型Clarity。

燃料电池关注度升温

燃料电池是一项绿色、高效、适用性广的发电技术。燃料电池与传统发电方式相比，不受卡诺循环限制，因此能量转换效率高，而且具备零排放、无污染、噪声低等优点，在交通工具领域被视为新能源汽车的终极绿色解决方案。目前主流产品有质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(OFC)三类，可以广泛应用于交通运输、军事、航空等领域。

燃料电池整车成本从2005年之前的100万美元降到现在的5万～10万美元，加上购买时的政府补贴，与纯电动车差距不大。Pt当量(g/kW)已经从最早的80 g降低到目前的10 g左右，达到传统汽油机三效催化器的铂金用量水平，而丰田、通用研发的燃料电池已经可以将Pt担量降至0.25～0.3 g。2015年美国燃料电池公共汽车的使用寿命已达到2 万h到3 万h，车辆的性能达到传统柴油客车的水平，实现每天19 h的运行和出勤率。日本丰田公司的燃料电池汽车的寿命达到25年，达到内燃机汽车的同等水平。

丰田、现代、本田等车企的燃料电池汽车商业化必将在资本市场掀起一波燃料电池热潮。鉴于新能源汽车前景广阔，氢燃料电池在中小功率领域的应用具备快速商业化潜能，市场容量有望达到千亿美元量级。A股市场中，燃料电池板块的估值远低于新能源汽车，有望令该板块进一步获得资金关注。建议积极关注这一主题带来的投资机会，重点关注产业链上游优质的燃料电池相关供应商。

(来源：中国证券报)

Condensation Analysis of Automotive Lamp Based on FLUENT

HAO Shanshan

(Changzhou Xingyu Automotive Lighting Systems Co., Ltd., Changzhou Jiangsu 213022,China)

An automotive lamp is exposed to thermal variations with low air exchange. Humidity entering the lamp will therefore increase the risk for condensation to form on the lamp lens inner surface. The automotive industry today is so highly competitive that more attention is focus on reducing costs together with fogging risk. The condensation risk and predicted surface of a rear fog lamp of a car was simulated using FLUENT software. Furthermore, it was compared experiment results with simulation results,the error was within an acceptable range. So the simulation can effectively shorten the production cost.

Automotive lamp;Condensation analysis; FLUENT software

2015-07-23

郝珊珊(1989—)，女，硕士，主要从事汽车灯具CAE雾气分析方面工作。E-mail:haoshanshan@xyl.cn。