出风道结构改进对汽车除霜性能的影响分析∗

2018-12-12李国迪赵卫兵

汽车工程 2018年11期

李明，李国迪，赵卫兵，王淼

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025； 2.吉林大学汽车工程学院，长春 130025；3.一汽法雷奥汽车空调有限公司技术部，长春 130000； 4.一汽轿车股份有限公司动力总成科，长春 130012)

前言

快速、高效除霜对于减少电动汽车电池能量消耗和延长续驶里程至关重要。汽车空调除霜风道的结构特征将直接影响空调出风口的风量分配，车内温湿度场，尤其是出风格栅的结构参数严重影响除霜效率[1-4]。

文献[5]中通过在格栅左右两侧各增加一个小格栅增大出风量的方式对除霜效果进行优化。_文献[6]中建立了三维乘员舱模型并对其进行数值模拟，分析预测了乘员舱和风窗玻璃表面流体流动、速度分布、温度分布和融霜模式。文献[7]中通过改进风道结构增加主出风口风量配送，缩短了风窗玻璃除霜时间。文献[8]中利用CFD方法建立汽车除霜性能动态模型，并量化了除霜器在风窗玻璃附近的气流速度场。文献[9]中对数值模拟中网格数量和质量对除霜仿真结果可靠性的影响进行了研究。以上这些研究均证实了采用CFD分析结果的可靠性以及风道和格栅结构对于除霜时间有重要影响。然而，以上文献未对最优碰撞角Φ和不同出风温度曲线下最优碰撞角Φ的除霜效果进行探讨。

在某款车型开发过程中，采用CFD与实验相结合的方法，探讨了汽车空调风道结构特征对整车除霜性能的影响，特别是出风格栅相对风窗玻璃的碰撞角Φ对除霜效果的影响。通过实验分析验证理论改进的有效性，总结了格栅特征参数对汽车空调的除霜效率影响特性，在不同温升曲线下探讨改进后风道的除霜效果。

1 CFD物理模型与边界条件

1.1 除霜区域划分

图1为风窗玻璃模型示意图，其中A区是驾驶员侧对应的区域，是需要最快除霜的区域以保证驾驶员前方视野清晰。A′区是副驾驶侧对应的区域，最终的除霜效果要求使整个风窗玻璃完全无霜[10]。

图1 风窗玻璃模型示意图

不同国家、不同汽车制造商都有自己的除霜除雾的定义和具体要求。我国国家标准GB11555—2009对除霜的定义见表1。

表1 除霜性能国家标准

1.2 除霜过程分析

除霜过程中，将加热后的空气通过鼓风机吹入风道中，经过风道对风量进行配送，通过主格栅和两侧格栅吹到风窗玻璃表面，提高其温度，进行除霜。可将霜层变化视为流体来分析，以液相率σ作为表征霜层变化的参数，即

式中:tice为霜层温度，℃；tS为固相温度，℃；tL为液相温度，℃。

从传热学角度分析除霜过程，包括通过风道出风口的热风与玻璃的对流换热和导热、被加热玻璃对霜层进行的导热和霜层与周围环境进行对流换热等一系列传热过程。以A区为例，如图2所示，参考文献[12]中的公式，霜层吸收的热量Q为

式中:λg为风窗玻璃的导热系数，W/(m·℃)；L为风窗玻璃厚度，m；t为除霜时间，s；S1为霜层与风窗玻璃接触面的面积，其余 S2，S3，S4，S5和 S6为霜层与周围空气的接触面积，m2；h为霜层与空气的表面传热系数，W/(m2·℃)；tτ为玻璃表面温度，℃，tτ为时间τ的函数；tair为空气温度，℃。根据汽车除霜除雾实验相关国标GB11555—2009规定，一般设定tair为-20℃。

图2 A区霜层简化模型

1.3 物理模型的建立

所用的乘员舱物理模型见图3，由风道、格栅以及汽车驾驶舱组成。网格质量和数量对CFD仿真的精度有重要的影响，在STAR-CCM+中，采用网格生成器生成多面体网格，采用包面处理器对模型进行修复。为保证CFD仿真的精确性，风窗玻璃处的网格尺寸应尽可能小，对风道、格栅、风窗玻璃和两侧玻璃能观察到后视镜的部分局部加密，采用2.5mm的网格，其它区域采用10mm网格，既保证了仿真的精确度，又减少了计算时间。模型先生成面网格，再生成体网格，最终体网格数量超过6百万。求解器中，时间步长设置为1s；内部迭代为5次；最大时间步2 000步。为提高仿真效率，减少仿真时间，先进行稳态计算，然后再将物理模型改为隐式不定常模型进行瞬态计算。

图3 乘员舱网格模型

风道模型如图4所示，底部为进风口，上部有4个出风口，其中中间两个(中左出风口和中右出风口)为主出风口，用于风窗玻璃的除霜；两侧(左出风口和右出风口)为侧出风口，用于后视镜视野区的除霜。

图4 风道模型体网格示意图

热风经过格栅导流后吹向风窗玻璃是冲击射流的一种[11-15]。冲击射流是指射流对固体壁面或液体表面等的冲击流动，即气体或者液体在压差的作用下，通过圆形或窄缝形喷嘴垂直或成一定倾角喷射到被冷却或加热的表面上。

汽车风窗玻璃所在平面与气流在XZ平面投影的夹角，称为除霜出风口处空气的碰撞角，用Φ表示，如图5所示，它主要决定冲击射流对玻璃壁面的碰撞能力，是影响玻璃除霜效率的重要参数。

图5 碰撞角Φ示意图

除霜效果的好坏一方面取决于热风的温度和流量等，另一方面取决于除霜热量有效率ηQ的大小，即热风中用于除霜的热量Qeff与热风中所含有的总热量Q的比值。在Q一定时，ηQ越大，除霜效果越好，除霜的能耗越低。经过格栅的除霜热风对玻璃壁面的碰撞能力越强，则除霜热量有效率ηQ越大。

1.4 边界条件设定

计算时，假定空气为不可压缩流体，湍流模型为Realizable k-ε模型，差分采用2阶迎风格式，隐式解法。在风窗玻璃外表面激活thin film模型模拟霜层，霜层厚度根据国标GB11555—2009相关规定，环境温度设定为253±2K，动态随机变化。按照实验，计算的霜层厚度设定为0.44mm，除霜风道入口空气流量为350m3/h。出口边界为压力出口，压力设置为0。其它边界均设置为壁面边界。

2 风道的改进设计

除霜风道结构直接影响汽车空调的除霜性能，先根据经验方法确定风道的结构，并进行风量配送的CFD仿真分析，对风道不合理处进行改进。

表2为风道的4个出风口的风量设计目标与仿真得出的风量分配结果。由表2可知，风道出风口的风量分配不均匀。中右出风口风量比例过高，超过了目标值，而中左出风口的风量较少，会导致A′区除霜较快而A区较慢。

表2 除霜风道出风口的风量分配

图6 风道改进图

针对以上问题，对风道结构不合理处进行相应的改进，具体改进措施如图6所示。在风道的进风口和出风口处增加导流板，均匀两出风口的出风量，引导热风向主驾驶除霜出风口流动，增加左侧出风口和中左侧出风口风量，甚至超过中右侧和右侧出风口的风量，保证驾驶员正对的风窗玻璃A区优先除霜。

改进后的风道风量分配如表3所示。由表3可以看出，改进后的风道风量分配比例较为合理，除霜时优先A区，使驾驶员的视野得到保障。

表3 改进后除霜风道出风口的风量分配

3 格栅布置的优化

通过改进风道使各出风口的风量分配满足实际需求后，再借助改变格栅相对风窗玻璃的倾角，来改变碰撞角Φ可能是进一步改善除霜效果的有效方法。因此，设定碰撞角 Φ 为 50°，55°，60°，65°和 70°进行仿真，对不同角度时玻璃的平均温度和霜层厚度进行对比分析。

3.1 风窗玻璃外表面平均温度对比分析

风窗玻璃外表面的温度情况一定程度上反映了除霜过程的快慢。经过格栅导流后的热风与风窗玻璃间的碰撞角Φ过大或过小，均会使除霜时间变长，除霜效果变差。这是由于碰撞角越小，热风距离风窗玻璃内表面距离越大，在热风吹向玻璃的过程中，与驾驶舱内的空气换热量增加，使热量有效率ηQ下降。碰撞角过大，热风吹向风窗玻璃表面时，与玻璃接触面积减小，使玻璃被加热区域变小，也不利于快速除霜。

仿真结果如图7所示，碰撞角Φ为50°和55°时，风窗玻璃外表面温度最高，这是由于此时热风吹到玻璃与玻璃内表面的接触面积增大，使导热面积增加，增加了换热量，从而使在开始阶段温升速率快。在除霜开始阶段的0～500s内，这种现象最明显，因为开始阶段，风霜玻璃外表面温度基本保持一致，与环境温度相同。风窗玻璃与热风的接触面积越大，则温升的区域也越大。在除霜后期，随着风窗玻璃自身温度不均匀，导致玻璃内部存在导热情况，使除霜后期温升速率差别不如前期明显。

图7 不同碰撞角玻璃外表面平均温度变化曲线

3.2 霜层平均液相率σ对比分析

霜层平均液相率σ直接反映除霜情况，σ＝0时，未进行除霜；σ＝1时，除霜完成。图8为不同碰撞角Φ对应的时间-平均液相率曲线。在开始阶段，各Φ角下的除霜效果基本一致，这是由于刚开始吹出热风温度较低，风窗玻璃外表面温升较慢，玻璃与霜层间的换热量较小。由图7可知，在500s后，由于Φ为50°和55°时的玻璃外表面温度明显高于其它情况，故这两种Φ角对应的液相率σ上升最快，图8也证实了这一点。仿真得出的除霜效果列于表4。由表可见，碰撞角Φ为55°时，效果最佳，除霜时间为1 300s。

图8 不同碰撞角对应的时间-平均液相率曲线

在得出碰撞角Φ＝55°除霜效果最好的结论后，为进一步进行验证，对Φ＝54°和Φ＝56°的除霜效果进行仿真。900s时，除霜效果如图9所示。

与表4比较可知，Φ＝54°和Φ＝56°的除霜效果都不如Φ＝55°，且最终碰撞角Φ＝54°时，霜层完全消除的除霜时间为1 380s；碰撞角Φ＝56°时，除霜时间为1 460s，均比碰撞角Φ＝55°时长，故碰撞角Φ＝55°时，除霜效果确实最佳。

表4 不同Φ和时间下的除霜效果图

图9 Φ＝54°和Φ＝56°时900s除霜效果图

3.3 出风温升规律对于除霜效果的影响

经过格栅导流后的热风通过与风窗玻璃间的对流换热以及玻璃内部自身导热使玻璃整体温度升高，掠过玻璃表面的风温不同，会导致被加热区域的玻璃表面温度不同，进而影响玻璃内部导热，从而影响除霜效果。

在得到格栅最优碰撞角后，进一步讨论格栅对于不同出风温升规律的适应性。同种车型一般风窗玻璃位置和仪表台的位置固定，故其碰撞角也是固定的，但是同种车型由于所配动力源的不同，除霜工况的出风温升规律会有变化。本研究涉及两种车型:搭载2.0T发动机，利用废气余热作为除霜热源的普通汽车；采用功率5kW的PTC加热器作为除霜热源的电动汽车。两者除霜风道的出风口空气温升规律不同。图10为普通汽车的发动机与电动车的PTC加热器两种除霜热源所得到的出风口空气温升规律对比图。从图中可以看出，两者温度变化的规律差距很大。

图10 PTC与发动机加热后风道出风口温升曲线

在Φ＝55°的格栅下，其余条件保持不变，采用PTC加热曲线进行除霜，除霜效果如图11所示。

采用PTC加热器进行除霜的整体除霜时间为980s，与PTC加热器相比，由于发动机温升曲线上升速率慢，使其完全除霜时间要晚于同等状况下PTC加热器的除霜时间，纯电动汽车在除霜方面有着一定的优势。

本研究还进行了不同温升曲线条件下不同格栅碰撞角的仿真，因篇幅所限，未予列出。但仿真结果表明，不同温升曲线对应的最优除霜效果的格栅碰撞角大致相同。

图11 碰撞角Φ＝55°时PTC加热器除霜效果图

4 实验验证

在仿真分析的基础上，进行除霜实验。根据国标GB11555—2009，将被测车辆置于能容纳被测车辆且维持实验温度在-18±3℃的低温实验室中进行，采用喷枪将0.044g/cm3乘以风窗玻璃面积值的水量均匀地喷射在玻璃外表面上，实验结果见图12。

图12 实验除霜效果图

首先开始除霜是驾驶员侧对应的A区，这与改进风道后仿真得出的风量配送比一致。在碰撞角Φ＝55°实验得出的除霜时间为1 340s，与经过CFD仿真分析的结果进行比较，误差为4%，认为仿真结果有效。同时，验证了CFD分析的可靠性。在实际车型开发过程中，风窗玻璃安放位置不仅要考虑除霜效果，还需要考虑美观和风阻系数等。在实际调整碰撞角Φ时，可着重考虑仪表台安放位置，以及格栅嵌在仪表台的位置、角度、深度等，使碰撞角Φ＝55°。