基于FLUENT的某大型客车前风窗CFD除霜分析

马 凯，周 博

基于FLUENT的某大型客车前风窗CFD除霜分析

马 凯，周 博

（中国第一汽车股份有限公司 技术中心，长春 130011）

以某大型客车为例，使用CATIA软件创建几何模型，运用ANSA和FLUENT软件完成模型的空间离散化，应用FLUENT软件进行除霜过程的稳态和瞬态CFD分析，得到前风窗霜层随时间变化情况，并与试验结果进行对比。

除霜；FLUENT；客车前风窗；CFD分析

随着计算机技术的发展和数值模拟技术的深入,CFD仿真技术在汽车行业得到了广泛的应用。汽车产品的改进和开发都伴随着CFD仿真技术的指导,它促进了汽车产品开发周期的缩短，降低了开发成本[1-3]。在我国北方，尤其是东北地区，气候寒冷，冬季时间长，室外气温常在-20℃，有时可接近-30℃[4]。在这样的环境下，要保证驾驶员在驾驶时具有良好的视野，进而保证客车行驶的安全性，这就对客车的除霜系统性能提出了更高的要求。本文应用ANSA软件，对某客车乘员舱模型进行几何处理和面网格划分，并使用FLUENT软件对除霜过程进行CFD分析，得到前风窗霜层随时间变化情况，并与试验结果对比，为除霜系统的设计优化提供指导。

1 分析过程

有别于轿车，客车的采暖系统与制冷系统是相对独立的两套系统。除霜系统与采暖系统是一个整体，除霜系统包括加热器、水暖管路、除霜器、风道、出风口等结构。空气在除霜器中被加热后，由除霜器内的风机鼓出，经过除霜风道后从除霜出风口处喷出。喷出的热气流加热前风窗的内表面，通过热传导融化玻璃外表面形成的霜层，从而达到除霜的作用。

1.1 模型处理

要进行CFD除霜分析就要保证空气域是一个单连通的封闭区域，在ANSA中将简化的几何模型用CATIA创建进行封闭处理[5]。客车车身长度较长，但一般不选取全部车长作为计算域，这样既会大大减少工作量和计算机负荷，也会大大减少计算时间，而对计算结果的精度影响不大。当然，计算域的选取长度也不宜过短，否则会导致计算结果精度大大降低。因此，几何模型计算域的选取对整个除霜仿真计算起着重要作用。本文中车长为12 m，选取的计算域为5 m。本文将某大型客车模型进行几何处理后得到一个单连通的封闭区域，如图1所示。按照标准要求，本次前风窗视野区划分如图2所示。

图1 简化模型空气域

图2 前风窗视野划分

1.2 网格生成

运用ANSA软件将处理好的某大型客车模型进行面网格划分，要求无自由边和T形链接。针对需要重点监测的部位，如除霜风道、除霜喷射口、前风窗等部分网格要进行加密处理。

随后将得到的面网格导入到FLUENT软件中对面网格进行生成体网格操作，生成四面体非结构化网格约200万个。由于要模拟瞬态分析时玻璃层外侧的霜层融化情况，这里还要根据实际情况和标准要求，分别在得到的空气域的前风窗处拉伸出玻璃层和霜层。本文中拉伸8层共8 mm厚的体网格作为玻璃层，在玻璃层外侧根据标准要求拉伸出4层共0.44 mm厚作为霜层。除霜出风口格栅处及计算域网格分别如图3和图4所示。

图3 除霜出风口格栅处网格

图4 计算域网格

1.3 边界条件等设置

模型选用除霜风道的进口作为速度入口，稳态分析给定速度，瞬态分析给定速度和温度。玻璃壁面选用热对流边界，外界温度选为-18℃，其余壁面采用绝热边界。出口选为压力出口，大小为一个大气压。

湍流模型选用Realizable k-ε模型，二阶离散精度。Realizable k-ε模型相对于标准k-ε模型做了两个主要的改变，即湍流粘性增加了一个公式和为耗散率增加了新的传输方程。因此Realizable k-ε模型对于射流的发散比率有更精准的预测[6-9]。

初始化及稳态计算时计算域温度设为-18℃，采用标准初始化方法进行初始化。瞬态分析时间为1 800 s（30 min），温度随时间变化情况可通过tab文件或者udf曲线导入。时间步长取5 s，每个时间步长内的最大迭代步数为30步，每60 s(1 min)输出一张前风窗霜层融化效果图。

2 结果分析

2.1 稳态分析

通过稳态计算，得到了整个计算域的流场分布，包括压力、速度等参数的分布。为便于分析，这里给出一些典型位置及参数的流场结果。图5为各除霜出风口风量分配情况，从图5中可以看出各出风口的风量分配不够均匀，尤其在驾驶员侧视野区的出风口2、3风量较少。图6为气流迹线图，它显示了气流在计算域内的流动情况，从图6中可以看出,气流几乎全部顺着玻璃向上流动，未产生大的涡旋，这对提升除霜效果是有利的。但出风口3、4及7、8之间有较大的间隙，不利于霜层的均匀融化。如图7为Iso-Surface 2 m/s等速面，通常认为稳态风速大于2 m/s的区域除霜效果较好[10]，从图7中可以看出，2 m/s等速面所覆盖的面积较小，高度不够，会影响除霜效果。

图5 各出风口风量分配

图6 气流稳态迹线图

图7 Iso-Surface 2 m/s等速面

2.2 瞬态分析

通过瞬态分析，得出前风窗温度分布情况及前风窗外侧霜层融化效果，分别如图8和图9所示。从图8中可以看出，气流射到前风窗上的温度略低，且范围不够大，难以保证良好的除霜效果。通过环境舱进行实际除霜试验得到的前风窗霜层融化结果如图10所示。通过对比可以看出，CFD瞬态模拟结果与试验结果较一致。CFD分析和试验结果均显示，在30 min结束时，除霜系统未能够将视野区C区99%以上、视野区A区90%以上面积的霜层除去，不满足标准要求[11]。

总体来看，要保证良好的除霜效果，后续须对除霜系统进行改进，包括增大风量，提高温度，改善各出风口风量的均匀性，使得除霜效果满足标准要求[12]。

图8 前风窗温度分布

图9 前风窗霜层融化效果图

图10 除霜试验中前风窗霜层融化情况

3 结 论

通过ANSA软件与FLUENT软件相结合的CFD仿真方法，能够模拟除霜试验中前风窗霜层的融化过程。在产品开发前期，该方法能够对指导产品设计并为确定最优方案提供重要参考，缩短研发周期。在产品设计中后期能够对除霜系统中的风道、出风格栅等结构进行持续优化，大大降低研发成本。

[1]VERSTEEG，H.K.W.MALALASEKERA.An Introduction to Computional Fluid Fynamics：The Finite Volume Method，Wiley，New York，1995:50-91.

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[3]傅立敏,扶原放.轿车外流场车轮转动时侧风效应的数值模拟研究[J].公路交通科技，2006（2）:147-150.

[4]董素艳.客车挡风玻璃除霜性能试验与数值模拟[J].系统仿真技术,2011（3）:190-195.

[5]任静秋,扶原放,雷应锋,等.某车型乘员舱除霜CFD瞬态分析[C].中国cae工程分析技术年会暨2012全国计算机辅助工程.2012.

[6]王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2004.

[7]傅立敏.汽车空气动力学[M].北京：机械工业出版社，2006.

[8]胡兴军.汽车空气动力学[M].北京：人民交通出版社，2014.

[9]傅立敏.汽车空气动力学数值计算[M].北京：北京理工大学出版社，2001.

[10]赵林林,范平清,王岩松.汽车前风窗玻璃的除霜性能数值研究[J].机械强度，2016（5）:1053-1059.

[11]INTERNATIONAL S.Windshield Wiper Systems-Trucks,Buses And Multipurpose Vehicles[J].

[12]高翔.客车风窗玻璃除霜问题的分析与探讨[J].客车技术与研究，2009，31（6）：35-36.

CFD Defrosting Analysis of a Coach Front Windshield Based on FLUENT

Ma Kai,Zhou Bo
（R&D Center，China FAW Co.，Ltd，Changchun 130011，China）

Taking a large coach as an example,the authors create the geometric model by the CATIA software and discretize the model space by the ANSA and FLUENT software.Then they performe the steady and transient CFD simulation of the defrosting processes by the FLUENT software,get the changing situation of the frost layer on the front windshield with time,and compare the simulation result with the experimental result.

defrosting;FLUENT;coach front windshield;CFD analysis

U463.83+5

B

1006-3331（2017）05-0035-03

马 凯（1990-），男，工程师；车身设计师；主要从事客车车身设计及研发工作。

修改稿日期:2017-04-10