风窗玻璃除霜系统的性能分析

风窗玻璃除霜系统的性能分析

近年来，一些国外科学家利用计算力学来计算车辆风窗玻璃的价值，加强了该领域的研究工作。BasharS.AbdulNour利用商业化计算流体力学(CFD)软件Fluent对汽车除霜器流场进行了数值模拟,对比试验结果,认为CFD模拟是研究车辆风窗玻璃除霜系统流场特性的一种有效手段。Brewster等用焓法通过CFD预测挡风玻璃上的除冰图案。本文针对某车型车辆风窗玻璃除霜系统试验情况,利用Fluent对该车的试验进行数值模拟重现,计算除霜风道出风口风量、风道和客舱内的流线分布、前挡风玻璃上的速度分布图和瞬态的除霜过程,找出除霜系统性能差的原因,并对该系统进行改进,保证该车的除霜性能满足国标要求。对某新开发车型进行了软工装车的除霜预试验,试验按照国标要求在-30℃工况下进行,试验中记录了暖风机出口平均风速、暖风机出口温度(图1)和霜层融化过程(图2,图中的数字和曲线表示在不同时间时融霜区的位置,即数字代表时间,曲线表示融霜区位置。图7～10所示区域划分大体与此图类似,不再标注)。1除霜数值模拟的计算模型利用Fluent进行数值分析的流程如图3所示。分析图2发现,该车的除霜性能在20、25、40min时刻均达不到国标要求。除霜数值模拟的计算模型包括车室(图4)、玻璃和霜层。车室包括风道(图5)、封闭的车室内部以及舱内较大的附件(如座椅等)。整个网格划分采用非结构四面体网格,在玻璃内侧生成边界层,通过拉伸生成玻璃和霜层网格(图6)。2管口的流场分布数值模拟主要分两个过程:1)稳态的等温空气动力学分析,主要考查风管喷嘴的气流方向、速度、玻璃上的速度分布等;2)瞬态的除霜模拟,通过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在稳态流动模型中流体为空气,采用常温293K(20℃)时的物性。用二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(ρkui)=∂∂xj[(μ+μtσk)∂k∂xj]+Gk+Gb−ρε−YM+Sk;(1)∂∂t(ρk)+∂∂xi(ρkui)=∂∂xj[(μ+μtσk)∂k∂xj]+Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk;(1)∂∂t(ρε)+∂∂xi(ρεui)=∂∂xj[(μ+μtσε)∂ε∂xj]+C1εεk(Gk+C3εGb)−C2ερε2k+Sε;(2)∂∂t(ρε)+∂∂xi(ρεui)=∂∂xj[(μ+μtσε)∂ε∂xj]+C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2k+Sε;(2)μt=ρCμk2εμt=ρCμk2ε。(3)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,由于本文研究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,模型常量σk=1.0,σε=1.3;Sk、Sε为用户自定义项;ρ为密度;ui为气流速度;常量系数C1ε=1.4;C2ε=1.92;C3ε=1.86;μt为湍流粘性系数,其中Cμ=0.09。(1)边境条件模型使用除霜风道的进口作为平均速度入口,平均速度由试验测出(3m/s),取模型背部为压力出口边界条件,背压为0。(2)喷嘴流量分析为了达到除霜性能标准,除霜器喷嘴处的气流必须具备以下条件:①喷嘴的流量分配满足要求;②气流吹在整个挡风玻璃和侧窗玻璃的内表面,并保证大部分气流不会从玻璃上脱离;③气流必须具有足够的动量,能继续吹到挡风玻璃的上边缘;④减少挡风玻璃和仪表盘夹角边缘的空气再循环。计算过程中对风管4个喷嘴处的质量流量进行监测,喷嘴的质量流量分配如表1。从喷嘴的流量分配数据来看,根据工程经验,该车风道分配的流量较为合理,流量分配能够满足前挡风玻璃的除霜性能要求。分析图7a可以看出:该风道使喷嘴到前挡风玻璃上的流线分布较为合理,满足条件②,该风道也能满足条件④;图7b速度分布表明:前挡风玻璃A区和A′区的速度分布大多在1m/s以下,A区和A′区中上部分气流速度甚至低于0.5m/s,就是说气流没有足够的动量,不能继续吹到A区和A′区的中上部分。在图2中A区和A′区的中上部分霜层基本没有融化,从25～40min过程中随温度逐渐升高,理论上霜层的融化速度应该加快,即间隔相同时间内霜层融化位置曲线间距应该逐渐增大,但试验情况却恰恰相反。由此,初步推测喷嘴气流没有具备足够的动量是导致该车除霜试验失败的主要因素。2.2将霜层国家火力器作热压监测,分析原理说明环境模型用焓法求解挡风玻璃融冰的瞬态问题。通过试验数据编译入口温度的曲线代入求解,采用二阶离散方法来求解能量方程,能量收敛的残差标准<10-6,使用intialize→patch初始化时在软件中设置工作气流温度降到-30℃以下,试验中环境温度为-30±3℃,分析的环境温度值取-30℃。对于除霜模型问题,能量方程为∂∂t(ρH)+∇⋅(ρvH)=∇⋅(k∇T)+S∂∂t(ρΗ)+∇⋅(ρvΗ)=∇⋅(k∇Τ)+S。(4)式中:H为焓;ρ为密度;v为流体速度;S为源项。求解过程中设定霜层融化动画,每20s保存一次图片,图片的视角方向与驾驶员的视角方向相同,各个典型时刻的霜层融化比例如图8所示,对比前挡风玻璃霜层融化过程曲线,可以发现数值模拟的霜层开始融化的时间节点和融化区域均与图2吻合;1200、1500、2400s各时间段霜层的融化区域与形状也与试验较为吻合。3前日照时数内气流速度分布为了解决喷嘴气流不具备足够动量的问题,在现有模型的基础上加大除霜风道入口速度来提高喷嘴处气流的动量。除霜风管的入口速度由原来的3m/s提高为6m/s,再次对此模型进行稳态和瞬态的模拟。从前挡风玻璃的速度分布(图9)可以看出,前挡风玻璃A区和A′区的速度分布较为均匀,A区和A′区中下部分气流速度在3～4m/s,A区和A′区中上部分的气流在1.5～2.5m/s,气流具有足够的动量吹到前挡风玻璃的上缘。从瞬态的除霜过程模拟中可以看到:900s和1200s的霜层融化区域完全满足国标的要求。通过以上分析,建议加大该车除霜风道入口的气流速度。由于空调系统总布置的局限性,要提高除霜风道的入口速度只能加大鼓风机的风量,更换大流量的鼓风机,使入口速度为6m/s,再次进行除霜试验(图10),通过对比试验与数值模拟数据发现:两者霜层融化过程虽不完全一致,但除霜的整体区域十分相近,除霜面积相差不大,试验结果与数值模拟较为接近,车辆风窗玻璃区域在25min基本实现了除霜,该车的除霜性能达到了国标要求。4测试试验结果(1)在喷嘴的结构、喷射气流的位置与方向达到要求后,除霜喷嘴气流