基于CFD的某商用车除霜风道性能优化

朱绍伟，崔 震，刘秀芝，商 成

基于CFD的某商用车除霜风道性能优化

朱绍伟，崔 震，刘秀芝，商 成

（浙江飞碟汽车制造有限公司五征分公司 汽车研究院，山东 日照 276800）

为满足商用车除霜性能要求，缩短开发时间，采用CFD分析方法对某商用车除霜风道进行仿真优化。首先通过稳态分析优化设计阶段的除霜风道压损、风口风量分配、前挡与侧窗视野区域风速覆盖率等性能指标，使其满足目标要求；其次加载除霜出风的温升曲线，开展除霜瞬态分析来预估除霜效果；最后通过实际样车进行优化后的风道除霜验证试验。结果表明，除霜性能满足目标要求，CFD虚拟验证可以降低研发成本，提升开发效率。

商用车除霜风道；CFD；性能优化；除霜瞬态分析

商用车在交通运输中占据着重要地位，其不断发展对我国经济发展有很大的推进作用。受冬季气温低湿度大的影响，汽车玻璃上极易产生较厚的霜层，对安全驾驶车辆会产生严重危害。因此，汽车的除霜性能直接关系到车辆行驶的安全性和舒适性[1-2]。汽车的除霜性能与风道的设计直接相关，优良的设计可以保证出风量、角度及风在玻璃上的流动方向，从而保障除霜的效率。在设计初期，通过虚拟验证可以有效预测未来样车的性能，缩短研发时间、减少后期更改带来的高成本浪费，因此，在早期设计阶段引入虚拟验证技术来优化汽车除霜风道的性能尤为重要。

以某商用车除霜风道的模型为研究对象，建立风道及驾驶舱除霜模型，应用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）数值模拟的分析方法，对除霜性能的优化开展稳态分析，对除霜效果的预估开展瞬态分析，并结合试验来验证优化后的除霜性能。

1 除霜稳态分析模型及边界条件

1.1 创建网格模型

根据某商用车三维数据创建CFD分析模型，首先在前处理软件中完成除霜风道、出风口格栅、挡风玻璃、侧窗玻璃、仪表板及驾驶舱内饰等部件网格划分与连接，形成CFD计算封闭流体域，其次在CFD软件中完成风道、风口格栅等关键区域的网格加密，最后设置近壁面边界层并生成流体域四面体网格，分析计算模型如图1、图2所示。

图1 稳态分析计算模型

图2 除霜风道局部模型

1.2 稳态分析边界条件

物理湍流模型使用标准k-Epsilon模型，由于除霜流场分析的气流流速不高，空气可视为不可压缩。进口设定为质量流量进口，入口流量为0.112 5 kg/s，出口设为压力出口，出口静压设为0 Pa。

2 除霜稳态分析目标要求

通过除霜稳态分析可以优化除霜风道及风口格栅结构，对除霜风道压降、各风口风量分配、前挡与侧窗视野区域风速覆盖率等指标的优化有重大意义[3-5]，因而制定合适的目标要求也尤为重要。

2.1 除霜进出口压损

通常可根据车型的供热通风与空气调节（Heating Ventilation and Air Conditioning, HVAC）风机性能来确定除霜模型进出口压损的目标要求，可设在180 Pa以内。

2.2 风口风量分配

除霜风道各风口风量分配的目标要求如表1所示。

表1 流量分配目标要求

除霜风口流量分配目标要求/% 中央除霜80±6 左侧除霜10±3 右侧除霜10±3

2.3 玻璃视野区风速覆盖率目标要求

前挡风与侧窗玻璃各视野区表面附近风速覆盖率要求如表2所示。

表2 各视野区表面附近风速覆盖率目标要求

位置风速/(m/s)风速覆盖率/% 前挡风A区＞1.5≥90±2 前挡风A'区＞1.5≥90±2 前挡风B区＞1≥95±2 侧窗玻璃视野区＞1.5≥90±2

3 原始方案除霜稳态分析结果

3.1 风口风量分配

原始方案除霜进出口压损为114 Pa，满足设计要求，但其风口风量分配如图3所示，其中中央除霜、左侧除霜、右侧除霜风量占比分别为88.4%、5.2%、6.4%，不满足设计目标要求。

图3 原始方案风口风量分配

3.2 玻璃视野区风速分布

原始方案前挡风玻璃视野两侧附近及侧玻璃视野区域附近存在风速偏小的现象，如图4、图5所示，各视野区表面风速覆盖率统计结果如表3所示，区及侧玻璃视野区的风速覆盖不满足设计目标要求。

图4 原始方案前挡风玻璃视野区风速分布

图5 原始方案侧窗玻璃视野区风速分布

表3 原始方案视野区表面风速覆盖率

位置AA'区B区左视野区右视野区 风速要求/(m/s)＞1.5＞1.5＞1＞1.5＞1.5 风速覆盖率（原始方案）/%86.089.288.110.060.0 风速覆盖率（目标要求）/%90±290±295±290±290±2

4 除霜风道和风口格栅设计优化

综上所述，该除霜风道稳态分析指标不满足设计目标要求，主要存在以下2个问题：1）各除霜风口流量分配不均匀，中央除霜风量较大，左右两侧除霜风量相对较少。2）前挡风两侧区域、侧窗视野区域满足风速要求的覆盖面积较少，尤其两侧除霜。

针对以上问题，调整除霜风道的分风导流板、侧除霜风口的格栅大小及其角度，具体改进优化如下所述：

1）调整风道导流板，减少中央除霜正上方区域的分风量，增大中央侧方区域及两侧除霜的风量，如图6所示。

图6 除霜风道导流板优化示意图

2）增大侧除霜风口格栅开口，调整横格栅向上方倾斜的角度，提升出风高度，如图7所示。

图7 侧除霜风口格栅优化示意图

5 优化方案除霜稳态分析结果

5.1 风口风量分配

优化方案除霜进出口压损为129 Pa，相比原始方案稍有增大，但满足设计要求。优化方案其风口风量分配如图8所示，中央除霜、左侧除霜、右侧除霜风量占比分别为84.2%、7.2%、8.6%，满足设计目标要求。

图8 优化方案风口风量分配

5.2 玻璃视野区风速分布

图9 优化方案前挡风玻璃视野区风速分布

优化后前挡风玻璃两侧、侧窗玻璃视野区风速大小均有明显提升，如图9、图10所示，各视野区表面风速覆盖率均满足设计目标要求，优化前后统计结果见表4。

图10 优化方案侧窗玻璃视野区风速分布

表4 优化前后视野区表面风速覆盖率

位置AA'区B区左视野区右视野区 风速要求/(m/s)＞1.5＞1.5＞1＞1.5＞1.5 风速覆盖率（原始方案）/%86.089.288.110.060.0 风速覆盖率/%100.0100.099.896.490.5 目标要求/%90±290±295±290±290±2

6 除霜瞬态分析

6.1 网格模型及边界条件

除霜瞬态分析的网格模型可在稳态模型的基础上增加玻璃、霜层固体域，玻璃层拉伸3层，厚度为4.7 mm，霜层拉伸2层，厚度为0.5 mm，玻璃及霜层网格如图11所示。

设置玻璃及霜层的物理特性及边界条件，车内空气初始温度为-18 ℃、外部温度为-18 ℃，进口加载温升曲线，计算时长为1 500 s，时间步长设为5 s。

6.2 除霜瞬态分析结果

通过除霜瞬态分析可预估试验除霜效果，核验优化后的除霜风道是否满足除霜试验目标要求，重点关注除霜试验开始后20 min时间点的结果。

优化方案的前挡风玻璃及侧窗玻璃除霜效果如图12、图13所示，20 min时各视野区域内的霜全部除尽，满足设计目标要求。

图11 玻璃及霜层网格示意图

图12 20 min时前挡风玻璃除霜效果云图

图13 20 min时侧窗除霜效果云图

7 除霜试验验证结果

按照整车除霜试验规范要求，试验车在-18 ℃环境仓中进行除霜效果验证，得到前挡风玻璃、侧窗玻璃的除霜试验结果如图14、图15所示，试验结果基本与瞬态分析预估的效果一致，满足设计目标要求。

图14 前玻璃除霜试验结果

(a) 主驾驶侧

(b) 副驾驶侧

图15 侧窗玻璃除霜试验结果

8 总结

经除霜稳态分析优化后，各性能指标有明显改善提升，均满足目标要求，总结如下：

1）风口风量占比：中央除霜由88.4%降低至84.2%、左侧除霜由5.2%提高至7.2%、右侧除霜由6.4%提高至8.6%。

2）视野区的风速覆盖率：区、区提升至100%、区提升至99.8%、左侧视野区由10%提升至96.4%、右侧视野区由60%提升至90.5%。

分析结果显示，通过除霜稳态分析能够有效改善风量分配、视野区风速分布等重要性能指标，可快速优化提升除霜风道的性能。

优化方案的除霜瞬态分析结果与除霜试验结果基本一致，因此，开展除霜瞬态分析能够预估除霜试验效果，结合瞬态分析能够保障除霜试验一次通过，从而降低试验成本，提升开发效率。

[1] 张晓兰,施俊业,陈江平.汽车挡风玻璃除霜性能数值模拟[J].汽车工程,2007,29(11):1009-1013.

[2] 邓峰,谷正气,杨易,等.汽车前风窗玻璃除霜除雾数值模拟分析和研究[J].汽车工程,2009,31(2):175-179.

[3] 张群峰,刘伟秀,马铁利,等.基于非结构化网格的汽车除霜风道数值模拟[J].汽车技术,2009(7):34-37.

[4] 吴金玉,陈江平.汽车空调除霜系统CFD研究及优化[C]//上海市制冷学会2007年学术年会论文集.上海:上海市制冷学会,2007:280-282.

[5] KUMAR V,TARE K,KAPOOR S.Deployment of CFD for Optimization of the Air Flow Distribution over the Windscreen and Prediction of Defrost Performance [J].SAE Technical Papers,2010-01-1059.

Performance Optimization of Defrosting Duct for Commercial Vehicle Based on CFD

ZHU Shaowei, CUI Zhen, LIU Xiuzhi, SHANG Cheng

( Automobile Research Institute,Zhejiang Feidi Motors Company Limited Wuzheng Branch Company, Rizhao 276800, China )

In order to meet the defrosting performance requirements of commercial vehicles and shorten the development time, CFD analysis method is used to optimize the defrosting duct for a commercial vehicle.Firstly, some performances should meet the design goals through steady state analysis during design stage, including the pressure loss of defrosting duct, air volume distribution of air outlet, wind speed coverage in the view of front and side windows field;and then transient analysis is used to predict the defrosting effect by loading temperature rise curve at the air outlet;finally, the optimized air duct defrost verification test is conducted through the actual sample vehicle.The results show that the defrosting performance meets the target requirements,and the CFD virtual verification can reduce the research and development cost and improve the development efficiency.

Defrosting duct for commercial vehicle;CFD;Performance optimization;Defrosting transient analysis

U463.85+1

A

1671-7988(2023)10-74-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.015

朱绍伟（1990—），男，工程师，研究方向为流体分析，E-mail:920272873@qq.com。