汽车空调除霜风管内部优化设计及验证

张 钊，李 鑫，李玉珠

(1.江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330052)(2.江西省汽车噪声与振动重点实验室，江西 南昌 330052)

在我国北方，冬季环境温度较低且多冰雪天气，汽车空调的使用频率较高。空调系统的除霜能力对乘坐舒适性及行车安全具有重要意义，因此汽车空调除霜系统的性能也逐渐被人们重视起来[1-3]。Aroussi等[4]运用数值仿真法分析了除霜系统风道湍流及传热；Park等[5]计算出热气流喷射到乘客舱玻璃上的温度场及速度场，并得到随时间变化的温度云图；陶其铭等[6]对空调管路进行分析，通过增加弧形扰流槽减少涡流区；张群峰等[7]通过优化除霜风道明显降低风道内部压损，合理分配气流速度。由此可见，若想获得更好的除霜效果，需设计出合理的除霜风道及格栅角度[8]。本文以某在研卡车为研究对象，运用三维软件进行联合仿真，对其除霜风管内部结构、格栅角度进行优化，并在开发后期进行了环模试验验证，结果表明，仿真优化结果真实有效，为汽车空调除霜系统的深入研究提供了可靠的参考。

1 有限元模型建立

1.1 建立几何模型

本文以某在研卡车为研究对象，运用CATIA软件建立其三维仿真模型，对除霜瞬态过程进行速度场分析。具体模型如图1和图2所示。

1.2 边界条件设置及评价标准

为了模拟前挡风玻璃及侧玻璃的风速，将HVAC(heating ventilation and air conditioning)单元模型与除霜风管模型及各出风口格栅结合起来建模，模型包含整个乘员舱。模型边界数据参考台架试验获得，进口气流流量设置为270 m3/h，乘员舱与外界大气的相对压力设置为0 Pa。遵循GB 11556—2009要求，在乘员舱模型上标出除霜目标区域A区、A′区及B区。本文车型要求除霜区域A、A′区的最小风速为2 m/s，B区最小风速为1.5 m/s，侧除霜视野区域最小风速为1.5 m/s。

图1 乘员舱三维模型

图2 除霜风管模型

1.3 仿真及结果分析

根据以上模型及边界条件，运用ANSA软件对除霜性能进行仿真分析，得到除霜区域速度场仿真结果，如图3和图4所示。

主除霜一般要求玻璃表面A区气流速度不小于2 m/s的区域达到100%，A′区在95%以上，B区在85%以上，由图3、图4可知，若以此标准评判，当前主除霜效果不满足设计要求。前视野除霜区域应在前挡风玻璃的上部，而当前整体除霜区域偏低，需通过优化风管、导流板以及格栅挡片等进行调整。主驾侧侧除霜区偏前偏下，副驾侧侧除霜区偏下，且由于副驾侧侧除霜风量太小，影响除霜效果，需通过优化除霜风量以及除霜出风口造型来改善除霜效果。

图3 速度分布云图

图4 速度迹线分布云图

由于管路压降对除霜出风口进入乘员舱的风量有直接影响，进而影响吹向玻璃的气流速度，因此在前期开发过程中，流体压降也是一个重要的考核指标。本文在研车型要求主除霜压降≤130 Pa，侧除霜压降≤145 Pa。如图5所示，风管内导流板存在较大的压力梯度，流动损失较明显，后续可通过调整导流板走向、密度及结构来降低压降。

图5 风管表面压力分布云图

2 风管内部优化及仿真分析

根据以上分析结果，对风管内部导流板结构及侧除霜格栅挡板造型进行优化，优化前、后三维重叠模型如图6所示。

图6 优化前后三维重叠模型

如图6所示，主除霜主要通过调整风管内部导流板来优化除霜效果，进而降低流体压降；左右侧除霜主要通过调整格栅挡板角度来优化除霜效果。对优化后的模型进行仿真分析，结果如图7和图8所示。

图7 优化后速度分布云图

由图8可知，优化后主除霜效果得到了较大的改善，A区气流速度不小于2 m/s的区域达到100%，A′区在95%以上，B区在85%以上；侧除霜效果也有了较大提升，且优化后侧除霜区域比较合理，整体侧除霜区域的流体速度不小于1.5 m/s，满足要求。

如图9所示，优化内挡板设计后流动损失降低，根据接收标准使用最大风量进行测试，主除霜压降≤130 Pa，侧除霜压降≤145 Pa，满足目标要求。优化前、后管道压降对比见表1。

图9 优化后风管表面压力分布云图

3 除霜性能环模试验

3.1 试验准备

结合仿真分析结果制得试验件，进行除霜试验验证，试验地点为江铃汽车股份有限公司整车环模试验室。首先使用含甲醇的乙醇或类似的去污剂清洁玻璃表面，再用浓度为3%～10%的氨水进行擦拭，风干后用干净的棉布进行擦拭；然后将车辆驶入环境仓，用细胶带贴出除霜A区、A′区、B区，设置浸车温度为(-18±2)℃，浸车10 h；浸车完成后，使用标准的喷枪，在前挡风玻璃、侧玻璃表面从上到下均匀喷水，形成均匀的冰层，覆盖整个车窗，喷水量V为0.044 g/cm3×挡风玻璃面积S(V=S×0.044 g/cm2)。过程中喷嘴保持垂直于玻璃表面且距离为200～300 mm，喷枪的压力为(350±20) kPa，玻璃上形成均匀的冰层后，试验车辆在低温环境下静置40 min，然后开始试验，如图10所示。

表1 优化前后管道压降对比

图10 除霜试验过程

3.2 试验结果分析

除霜试验在8 min时有所突破，20 min时A区除霜面积达到整个A区的85%(国标要求为不小于80%)，25 min时A′区达到91%(国标80%)，40 min后所有的霜都被除尽，试验结果满足国标GB 11556—2009要求。

4 结束语

本文以某在研卡车为研究对象，基于三维制图软件CATIA对除霜风管内部导流板进行优化，运用ANSA软件对模型分析，更改导流板走向及密度，合理分配除霜风管内部流量，降低内部压降，主除霜优化明显，侧除霜优化后效果有较大幅度提升，满足标准要求。试验结果表明，在项目开发前期进行有限元仿真分析，既节省研发时间又节约成本，且对后续的优化研究有一定的指导意义。