汽车除霜管道设计及分析

姚庆军

(上汽大众汽车有限公司,上海 201805)

当汽车暴露在寒冷环境中时,前风窗玻璃表面上会结有较厚霜层.这些厚度达到0.5～1 mm的霜层会将汽车前挡风玻璃的视野全部挡住,使驾驶员观察不到前方情况,导致无法正常驾驶车辆,甚至引发交通事故[1].因此,设计性能良好的除霜系统对于汽车安全性具有重要意义.

目前汽车的通风、除霜系统设计主要采用“试错”和“先前经验”等传统设计方法,浪费较多资源和时间[2-3].而新车型在研发初期采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法模拟分析汽车前风窗玻璃的除霜性能,显示流体在风道中的流动现象,对风道流场进行分析[4-5],通过改变除霜风道结构和气流参数优化汽车前风窗玻璃的除霜性能,可避免盲目进入试制阶段所造成的浪费[6].

本文以某轿车除霜管道为研究对象,首先,根据国家标准GB 11555—2009要求设计除霜管道,确定出风口位置和方向;其次,根据除霜管道结构,利用CAD软件建立三维模型;在此基础上,建立除霜管道有限元模型,并对其进行CFD分析,实现对出风口流量、速度的仿真;最后基于计算机辅助工程(CAE)模型,分析除霜系统瞬态除霜性能.

1 除霜管道设计

参照《汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求》以及《汽车通风系统设计规范》,对除霜风口位置及出风方向进行设计[7].前风窗上除霜A区、A′区及B区如图1所示.

图1 除霜A区和B区Fig.1 Defrosting areas A and B

本次设计采用强制排风型结构的前除霜风口结构形式,根据《汽车通风系统设计规范》,除霜开口的位置和方向可由以下方法确定:1) 建立最靠后的人体模型H点;2) 建立95%人眼球区域的二维眼椭圆.

建立一个与二维眼椭圆下部相切,与水平方向成角α的平面.该平面在垂直截面的投影参考直线与挡风玻璃在垂直截面中的交点来确定除霜器的气流方向与挡风玻璃的交点.α大小由H点到地面的距离决定,具体关系见表1.

表1 H点到地面距离和α关系Table 1 Relationship of distance to ground of point H and α

文中H点到地面的距离为315 mm,所以α=2°～4°.从除霜器气流与前风窗玻璃的交点做一条与前风挡玻璃成25°～30°的直线,即除霜器气流喷射线,这条线决定了除霜器位置.除霜器开口到风窗玻璃的距离应为44～100 mm.

除霜口设计如图2所示.由图可见,前风窗位置为α=4°时,满足除霜器气流喷射角为25°～30°且除 霜开口到风挡玻璃的距离为44～100 mm的规定.

图2 除霜口设计示意图Fig.2 Schematic design of defrost port

所设计的前除霜风口和出风方向均满足要求.

2 除霜管道建模

除霜管道结构会影响各出风口的风量分配比例以及通过除霜管道过程的压力损失情况.基于设计的除霜管道结构,确定其几何结构,如图3所示.

图3 除霜管道几何模型Fig.3 Geometric model of defrosting pipeline

将所建立的几何模型导入有限元分析软件,采用多面体网格生成器建立有限元模型,如图4所示.图中右侧图为前出风口1、2细节图.

图4 除霜管道计算模型Fig.4 Calculation model of defrosting pipeline

3 除霜出风仿真分析

1) 边界条件

计算流体物质为空气,采用质量入口边界条件,入口流量为0.17 kg/s.

2) 计算结果分析

通过稳态分析,得到各出风口流量分布见表2.

表2 各出风口流量分布Table 2 Flow distribution of each air outlet

从风量分配来看,两个侧出风口流量相对均匀(侧出风口1流量占总流量比例为7.75%,侧出风口2流量占总流量比例为7.75%),两个前出风口流量稍有差别(前出风口1流量占总流量比例为40.28%,前出风口2流量占总流量比例为44.22%).流线分布结果如图5所示.

图5 流线分布Fig.5 Streamline distribution

从图中流线分布来看,前挡风玻璃表面上的流线分布比较均匀.速度分布如图6所示.

从图中速度分布来看,前出风口1的最大速度为18.8 m/s,前出风口2的最大速度为18.8 m/s,侧出风口1的最大速度为15.5 m/s,侧出风口2的最大速度为15.9 m/s.通过计算可知,4个出风口的出风量分配比较合理,流线在前挡风玻璃表面分布比较均匀.

4 除霜效果仿真分析

根据上述除霜管道结构,用有限元方法进行瞬态除霜分析,检查前挡风玻璃表面霜层的融化情况.

计算的流体物质为空气,采用质量入口边界条件,流量为0.17 kg/s,温度曲线变化如图7所示.瞬态除霜结果如图8所示.

图6 前风窗玻璃表面及出风口速度分布Fig.6 Speed distributions of front windscreens and air outlets

图8表征了前挡风玻璃上霜层融化过程,从图中可以看出:在20 min内,A区内近70%霜被除去;40 min时,B区内霜全部融化.

本次设计在空调除霜管道稳态分析基础上,进行瞬态除霜分析.通过计算,在40 min内前挡风玻璃表面B区内霜被全部除去,符合设计要求.

图7 入口空气温度变化曲线Fig.7 Curves of inlet air temperature changes

图8 前挡风玻璃瞬态除霜结果Fig.8 Transient defrost results of the front windscreen

5 结 语

本文根据国家标准要求设计汽车除霜管道基本结构,建立除霜仿真有限元模型,对除霜性能进行仿真分析,得到以下结论:

1) 通过稳态计算得到出风口风量分配情况、车内流线分布以及前风窗玻璃上速度场分布,发现4个出风口的出风量分配比较合理,流线在前挡风玻璃表面分布比较均匀;

2) 通过瞬态计算得到霜层在0～40 min的融化效果,能够满足设计要求。