基于cfd的汽车除霜系统数值模拟

基于cfd的汽车除霜系统数值模拟

计算机软件模拟无霜汽车玻璃的性能是该系统的主要功能之一，也是国家法律法规规定的强制性检验指标之一。由于结构复杂，很难使用简单的公式来解释实际流场的过程，并且获得的数据数量有限。为了汽车新车型的设计,可考虑采用数值计算的结果预测气流速度分布和融霜/冰效果。国内关于汽车空调除霜性能数值模拟方面的文献较少,国外对汽车除霜性能的研究主要集中在解决工程实际问题。文献介绍了等温流场求解的计算流体动力学(computationfluiddynanlics,CFD)模拟方法。文献建立了三维挡风玻璃模型,使用CFD软件STAR-CD通过求解非线性焓-温度关系式分析挡风玻璃上水/冰层的融化。文献采用两步法,即等温流场和能量方程分开求解的方法对挡风玻璃除霜性能进行模拟。文献介绍了客车流场模拟的理论模型,并通过试验揭示了自然对流对车室内流场的影响,通过流场内涡的移动来解释温度场的分布。文献在模拟除霜性能时通过测量汽车模型的压降来获得数值计算的边界条件。文献介绍了一种参数化汽车建模器,设置车室与流场有关的几何特征模拟除霜性能。这些研究都证明了CFD方法在汽车除霜性能研究方面应用的可靠性,但是未对数值模拟的理论模型在仿真准确性方面作更深入的研究。CFD提供了运动控制方程(质量,动量,能量和湍流模型封闭方程)的数值求解来确定所有的流场参数,通过计算机的运算可较快地获得精确的计算结果。汽车除霜系统的数值模拟可通过壁面喷射气流来建立其流动特征。1防霜剂的主要性能除霜器喷嘴是空调加热器系统的一部分,主要功能是将HVAC(加热通风空调系统)的部分热气流在挡风玻璃内侧表面产生喷射气流,通过传热融化积在挡风玻璃外表面的霜/冰层。同时也可循环挡风玻璃附近的空气,避免挡风玻璃内表面温度比车室内空气的露点温度低而发生结雾现象。对除霜系统的主要性能要求是:(1)快速除霜/冰的能力;(2)防止玻璃再次结霜。挡风玻璃除霜的关键因素是除霜器喷嘴的结构及喷射气流的合适位置和方向。为了达到除霜性能标准,除霜器喷嘴必须能够产生足够的气流,并使气流吹在整个挡风玻璃和侧窗玻璃的内表面,气流的速度损失最小,并且保证大部分气流不会从玻璃上脱离;气流也必须具有足够的动量,能继续吹到挡风玻璃的上边缘,并减少挡风玻璃和仪表盘夹角边缘的空气再循环。GB11556—94对汽车风窗玻璃除霜系统性能有明确的规定,要求在一定时间内,挡风玻璃的某些区域必须无积霜、积冰和积雪(见表1)。2除霜性能的模拟对于除霜特性的研究表明,车室内流场达到稳定状态的时间比通过挡风玻璃的传热融冰需要的时间少得多,所以作者主要通过2个步骤进行除霜性能模拟。(1)通过对动量方程和连续性方程(湍流方程)的求解,确定除霜器喷嘴和车室内的稳态等温流场。(2)从流场的稳态求解获得能量方程的瞬态求解来计算整个流场区域的瞬态温度场和冰层的融化情况。2.1模型建立与分析除霜数值模拟的计算模型包括车室、玻璃和霜层。车室包括风道、封闭的车室内部以及舱内较大的附件(如座椅等),如图1所示。模型中采用四面体网格单元,总共1060257个体网格,并确保网格质量达到要求。在挡风玻璃和除霜器喷嘴附近加密网格,挡风玻璃厚度为5mm,5层四面体网格。按照GB11556—94《汽车风窗玻璃除霜系统性能要求》中规定,将0.044g/cm乘以风窗玻璃面积值的水量均匀地喷射到玻璃外表面上,形成均匀的冰层,从而计算得到模型的冰层厚度为2mm,3层四面体网格。并在模型里确定玻璃层和冰层的物性。图2～图4分别为车室和除霜器及其喷嘴处的面网格。模型的CFD计算中将三维稳态流场当作黏性、不可压缩、牛顿性的(流体黏性阻力与剪切率成正比)、各向同性的均匀流体。设置边界条件,除霜器喷嘴入口气流速度均匀,车室后部出口压力为定大气压(P=0表压)。假设喷嘴入口和车室出口的流线是垂直的。对于流场的模拟,这个假设是非常适合的。2.2湍流模型及风压在稳态流动模型中流体为空气,采用常温293K(20℃)时的物性。除霜器喷嘴和车室的壁面是非剪切边界。考虑到湍流的影响,采用带有壁面函数的标准k-ε湍流模型(式(1)～式(3)),k为湍流动能,ε为湍流动能耗散率,湍流度为5%。采用一阶离散方法来求解流场方程。求解收敛标准为残差<10-3。标准k-ε模型的输运方程为∂∂t(ρk)+∂∂xi(ρεui)=∂∂xi[(μ+μtσk)∂k∂xj]+Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk(1)∂∂t(ρk)+∂∂xi(ρεui)=∂∂xi[(μ+μtσk)∂k∂xj]+Gk+Gb−ρε−YM+Sk(1)∂∂t(ρε)+∂∂xj(ρεui)=∂∂xj[(μ+μtσε)∂ε∂xj]+C1εεk(Gk+C3ε)-C2ερε2k+Sε(2)∂∂t(ρε)+∂∂xj(ρεui)=∂∂xj[(μ+μtσε)∂ε∂xj]+C1εεk(Gk+C3ε)−C2ερε2k+Sε(2)式中Gk为由平均速度矢量得到的湍流动能;Gb为由浮力产生的湍流动能;YM为可压缩湍流引起的可变膨胀对全局耗散率的作用,由于文中流场为不可压湍流模型,所以该式中YM=0;σk、σε分别为k和ε的湍流普朗克数,σk=1.0,σε=1.3;Sk、Sε为用户自定义项;ρ为密度;μ为黏性系数;xi、xj分别表示x的i向量和j向量;ui为i向量的气流速度;C1ε=1.44;C2ε=1.92;C3ε=1.86;μt为湍流黏性系数,利用k和ε可计算湍流黏性。μt=ρCμk2ε(3)μt=ρCμk2ε(3)式中Cμ=0.09。2.3低温tliquperficing模型用焓法求解挡风玻璃融冰的瞬态问题。方程的循环求解可获得挡风玻璃的温度和热流量,即从车室内传到冰层的热流量。在每一步长内,计算导热、对流和辐射(通常可以忽略)总的能量,并与冰层开始融化需要的融解热进行比较。假设当总能量与融解热相同时,冰层开始融化。当网格单元内的总能量足以使所有冰融化为水后,就认为网格单元不存在冰。把冰水固液混合物作为一种流体来处理,根据固态温度Tsolidus和液态温度Tliquidus定义液相分数β来判定每个单元上的相变状况,并在文中作了简化。在相变过程中,认为霜层的物性为温度的分段线性函数;而在相变过程中,由于融化的水运动较慢,所以直接用静止的冰水混合物来近似模拟。能量方程收敛标准为残差<10-6。作者是通过引入除霜器喷嘴出口气流的加热曲线传热来求解温度场的能量方程式(4)～式(8),从而获得瞬态温度场以及挡风玻璃上的液态部分。能量方程为H=h+ΔH(4)h=href+∫ΤΤrefTTrefcpdT(5)式中href为参考焓;Tref为参考温度;ΔH为潜热焓;cp为定压比热。液相分数β定义为{若Τ＜Τsolidus,β=0若Τ＜Τliquidus,β=1若Τsolidus＜Τ＜Τliquidus,β=Τ-ΤsolidusΤliquidus-Τsolidus(6)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪若T＜Tsolidus,β=0若T＜Tliquidus,β=1若Tsolidus＜T＜Tliquidus,β=T−TsolidusTliquidus−Tsolidus(6)潜热焓为ΔH=βL(7)式中L为物质潜热。对于除霜模型问题,能量方程为∂∂t(ρΗ)+∇⋅(ρ→υΗ)=∇⋅(k∇Τ)+S(8)式中H为焓;ρ为密度;→υ为流体速度;S为源项。3计算结果和试验验证3.1车室内的气流场在靠近挡风玻璃底部处的仪表板上装有狭槽形除霜器喷嘴,向挡风玻璃侧喷射气流,仪表盘上装有4个除霜器出风口,其中2个出风口位于仪表板的中间,另外2个分别位于仪表板的左右侧面,均靠近车门。出风口方向使气流吹向前排座位以及前排座位之间的空间,对应于乘客的胸部位置。除霜器格栅方向、格栅或翅片的形状都会影响挡风玻璃除霜性能。图5为车室内流场的迹线图。选择除霜模式时,从除霜器格栅流出的大量气流涌入车室,这就作为主要动力驱动气流在车室内的流动。除霜器喷嘴内的流场迹线和速度矢量图如图6和图7所示。图6为喷嘴流出的气流的大致方向,并扩散到车室内。车室内部的几何形状和阻碍物(座椅等)影响车室内的气流的形状和大小特征。从除霜器喷嘴喷出气流流到挡风玻璃的中心处,又直接流到天花板以及在前座之间冲击到后座,从而导致了停滞区域。这个停滞区域中的速度最小,压力最小。从这个滞止区域,气流快速辐射,通过流动沿其内部壁面返回到车室的前部。挡风玻璃内表面气流速度如图8所示。从图8可看到挡风玻璃下部的气流速度和驾驶员侧的气流速度较大。最大的气流速度是在近喷嘴处,约为2.67m/s,并沿着挡风玻璃的中上部减少到1.34m/s。当气流沿着挡风玻璃内表面流动时,气流速度减小。在靠近喷嘴端部的地方,气流具有从侧面偏离的趋势。当气流离开挡风玻璃流到车室内时,速度逐渐减小。冲击到挡风玻璃上的高速气流使挡风玻璃下部的气流高度紊流,与玻璃外表面的高温区域相对应,这是由于湍流增加了内表面的有效导热率。所以在挡风玻璃这一区域首先除霜,然后除霜区域沿着挡风玻璃上升。图9为3.5、10、15和20min各时刻的挡风玻璃外表面瞬态温度分布图,它显示了外表面温度的增加,挡风玻璃下部的温度比上部高。图10为3.5、10、15和20min各时刻前挡风玻璃霜层外表面的融霜液态分数分布图。3.2cfd模拟试验挡风玻璃除霜性能试验通过按照GB11556—94要求的环模试验获得,如图11所示。首先开始除霜的区域在挡风玻璃靠近喷嘴处,并且靠近驾驶员侧。随着时间的增加,除霜区域慢慢地开始扩大。通过CFD模拟的除霜瞬态结果和试验结果的比较可知,数值计算与试验结果总体比较接近。除霜的瞬态CFD模拟结果显示,3.5min时刻在挡风玻璃的下部靠驾驶员侧首先开始融霜,与试验结果显示的融霜区域相近,CFD模拟结果比试验结果显示的融霜效果和时间快。数值模拟和试验结果的差异是因为模型简化了HVAC部分,瞬态计算时是通过在除霜器喷嘴入口处加上HVAC理论加热曲线作为边界条件,这与实际试验时HVAC运行的加热过程会有一定偏差。所以在进行除霜数值模拟时,可考虑增加HVAC模块,模型变得更复杂,模型的网格数量及计算时间也会相应增加。4模型优化方法(1)作者采用CFD方法通过求解等温流场和瞬态能量方程来确定气流速度场和挡风玻璃冰层的瞬态融化效果。文