汽车除霜风道结构对除霜性能的影响

汽车除霜风道结构对除霜性能的影响

汽车玻璃的去除性能是汽车安全的重要指标。提高汽车驱霜性能非常重要，以前进行了几次研究。例如,Fredrik在不影响驾驶员和乘客的舒适性的情况下,通过提高挡绝热性改善风玻璃的除霜和除雾性能,结果发现窗玻璃经过两面抛光等一系列处理后热损失减少表面温度提高了15℃(在低温环境下),而且还可以防止霜的形成;但是这样做会增加重量和成本,为了不增加被测重量,建议用化学回火来提高玻璃的绝热性。H.Takada采用12V电加热系统加热挡风玻璃,防止在玻璃上积霜。AbdulNour,B.S.采用等温流场求解的CFD除霜模拟方法。Brewster,R.A.等人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。特别是BasharS.AbdulNour采用两步法,即分开求解等温流场和能量方程的方法对挡风玻璃除霜性能进行了模拟,但是在分析除霜风道结构对除霜性能的影响时没有进行进一步具体比较。本文准备采用CFD对两种除霜风道结构的除霜性能进行数值模拟,分析比较两种除霜风道对除霜性能的影响。1除霜装置的优化改造汽车挡风玻璃的除霜可以通过加热玻璃或提高玻璃附近的空气温度,并提高周围空气的吸水能力。除霜器除霜性能的设计参数有除霜器喷嘴出口位置、气流冲撞角度、喷嘴的截面积和几何形状等,喷嘴出口的数量还取决于相关空间,其中最重要的参数是冲撞角度和气流速度;优化这两个参数可以确保从除霜器喷嘴出来的气流沿着挡风玻璃流动,并尽可能避免从挡风玻璃上分离出来,同时保证挡风玻璃和仪表盘之间的气流循环最少。目前,优化除霜性能主要采用优化风道结构、有效利用撞击压力以及尽可能让除霜器喷嘴喷出的热干空气覆盖窗户的表面等几种方法。为了提高除霜性能,应控制车室内的气流、除霜器喷嘴的位置和排风量的密度;考虑到排风量和夹带空气之间的相互作用,还可以通过调整侧窗玻璃调风装置叶片和通风管道角度来优化除霜功能。循环流动会引起能量损失,损失的多少不仅受除霜风道的影响,还受吹风处与挡风玻璃之间的角度的影响;循环流动还会增加对气流的干扰,例如当喷射处的气流和挡风玻璃之间角度增加时,会使挡风玻璃顶部的气流分离出来影响除霜效果,并可能影响乘客头部的舒适性。当汽车在低温环境下运行时,窗玻璃因外表面风速升高而传热率升高导致玻璃表面温度下降,所以汽车在高速行驶中更易结霜。有效利用撞击压力增加空气吸入量(空气流量与车速的增量成比例),可以解决气流分离的问题。利用CFD软件对汽车挡风玻璃除霜风器的除霜性能进行模拟过程如图1所示,模拟工作应尽可能精确地描述重要物理现象,探索所需要的几何特征,并缩短反馈时间。2u3000液相分数研究对象由车室内部、玻璃和冰层组成:计算模型对车室内部的结构作了简化,包括风道、封闭的车室内部以及座椅(图2)。冰层厚度按照GB11556-94《汽车风窗玻璃除霜系统性能要求》中的规定计算,即按0.044g/cm2乘以风窗玻璃面积值计算水量,并均匀地分布在玻璃外表面上形成均匀的冰层。本文准备首先确定喷嘴和车室内的稳态等温流场,然后通过这个流场解得能量方程的瞬态温度,最后计算整个流场区域的瞬态温度场和冰层的融化情况。等温流场采用不可压缩流体标准k-ε湍流模型:(1)连续方程∂Ui∂Xi=0∂Ui∂Xi=0(2)动量方程∂(UiUj)∂Xj=∂∂Xj(Pρ+23k)+∂∂Xj[vt(∂Uj∂Xj+∂Uj∂Xi)]−∂Uj∂t∂(UiUj)∂Xj=∂∂Xj(Ρρ+23k)+∂∂Xj[vt(∂Uj∂Xj+∂Uj∂Xi)]-∂Uj∂t(3)k方程∂k∂t+∂(kUj)∂Xj=∂∂Xj(vtσk∂k∂Xj)+vtS−ε∂k∂t+∂(kUj)∂Xj=∂∂Xj(vtσk∂k∂Xj)+vtS-ε(4)ε方程∂ε∂t+∂(εUj)∂Xj=∂∂Xj(vtσε∂ε∂Xj)+(C1vtS−C2ε)εkS=(∂Ui∂Xj+∂Uj∂Xi)∂Ui∂Xjvt=Cμk2/ε∂ε∂t+∂(εUj)∂Xj=∂∂Xj(vtσε∂ε∂Xj)+(C1vtS-C2ε)εkS=(∂Ui∂Xj+∂Uj∂Xi)∂Ui∂Xjvt=Cμk2/ε式中:Ui为平均速度,k为动能,ε为耗散量,ρ为密度,vt为粘度,C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。在除霜模型瞬态计算中,冰水固液混合物被作为一种流体来处理,根据固态温度Ts和液态温度Tl定义液相分数β,用来判定各单元中相变状况。h=href+∫TTrefCpdTh=href+∫ΤrefΤCpdΤ其中:href为参考焓,Tref为参考温度,Cp为定压比热。定义液相分数β:β=0,若T＜Tsoli；β=1,若T＜Tliquidus；β=T−TsolidusTliquidus−Tsolidus‚若Tsolidus＜T＜Tliquidusβ=0,若Τ＜Τsoli；β=1,若Τ＜Τliquidus；β=Τ-ΤsolidusΤliquidus-Τsolidus‚若Τsolidus＜Τ＜Τliquidus则潜热ΔH˙=βLΔΗ˙=βL。能量方程可化为:∂∂t(ρH)+∇⋅((ρv˙H))=∇⋅(κ∇T)+S∂∂t(ρΗ)+∇⋅((ρv˙Η))=∇⋅(κ∇Τ)+S其中,H为焓,ρ为密度,v˙v˙为流体速度,S为源项。3最佳风道结构的建立及验证整个模型采用四面体网格,并在挡风玻璃和除霜器喷嘴附近进行网格加密,图3和图4显示了车室和除霜器喷嘴处的面网格。模型的计算需要设定空气、玻璃层和冰层的物性,本文在等温流场的计算中采用了常温293K(20℃)时的空气物性。边界条件的设置:喷嘴入口为均匀速度(假设喷嘴入口和车室出口的流线是垂直的),车室后部出口表压设为0Pa。为了模拟除霜性能,本文将在相变过程中冰层的物性设为温度的分段线性函数;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。另外,在瞬态计算时,本文通过加热曲线模拟除霜风道入口气流温度。除霜风道A的结构如图5所示,通过数值模拟可以得到汽车挡风玻璃上的速度分布图(图6)和风量分布情况(表1:左侧8.36%,左中央38.1%,右中央53.5%,右侧0.018%);可以看到挡风玻璃右侧的风量明显偏小,右中央的风量比左中央大了15.4%。从速度分布图6还可以看到,由于风道风量分配的不均,在挡风玻璃左侧出现了一个V型区域的低速区,并且在右下方区域也出现低速区,这些区域吹到风量较少。从15min,20min除霜效果图(图7)看出(红色区域液态分数是1,表明霜层已经完全融化;蓝色区域液态分数为0,表明霜层尚未解冻。),在相应的区域的除霜效果不理想,出现除霜V型死区。因此,应适当改进风道结构,把风量分配得均匀,以便进一步改善除霜性能。改进后的除霜风道B结构如图8所示,在风道入口处增加公共风道,利用公共风道将风量分配到两侧风道中。除霜风道B的风量分布为左侧9.4%,左中央39.0%,右中央42.5%,右侧9.1%,(表1),风量分配的均匀性大为改善;从图8挡风玻璃速度分布图可以看出,模型B的V字型区域明显减小,右下方的低速区也减小了。从除霜过程对比图(图9)还可观察到两种模型除霜性能的计算结果:模型A和模型B挡风玻璃上的冰层分别从3.5min和4.5min开始融化,首先除霜的区域在挡风玻璃靠近喷嘴处并且靠近司机侧;随着时间的增加,除霜区域慢慢地开始扩大计算结果还表明:模型A冰层开始融化的区域呈点状和块状分布,而模型B冰层融化区域是连续分布;随着时间的增加,模型B的融冰速度逐步和模型A相近;但在15min时模型A的挡风玻璃上出现了融冰较慢的明显V型区域,而模型B则避免产生这一情况。通过比较还可以看到:改进后的模型B,左右侧风量分布更均匀,并且在除霜过程中可以避免产生V型区域,增加了除霜面积;虽然喷嘴角度没有作改动,但是通过改变风道入口结构改变喷射气流的喷射角度和方向,也可以影响挡风玻璃上气流分布情况,从而改善了除霜性能。4最佳模型的建立采用CFD方法对两种结构的除霜风道的汽车挡风玻璃除霜性能进行模拟,结果表明:(1)通过