基于STAR-CCM+进行重卡除霜分析

PAGE基于STAR-CCM+进行重卡除霜分析摘要:汽车空调的除霜性能对汽车的舒适性和安全性有重要的影响，人们也越来越关注汽车的除霜性能。本文针对某商用型重卡汽车的除霜试验进行CFD对标分析，根据实际情况建立了除霜几何模型，采用K-E的物理模型对该车的驾驶室内的流场和温度场进行了模拟。通过与试验结果进行对比分析，模拟结果与试验结果基本一致，在20分钟时A区没有（达到法规要求的）除去80%的冰霜，验证了仿真模型的有效性，并在调校后的仿真模型基础上对除霜风道进行了优化，模拟了新空调风道情况下的前挡风玻璃上速度分布以及瞬态时的冰霜厚度，结果明显优于原始管道，发挥了除霜仿真分析对设计开发的指导意义。关键词：除霜CFD空调风道STAR-CCM+0前言冬天外界气温较低时，汽车前挡风玻璃容易结冰，严重影响驾驶视野及行车安全，因此汽车除霜显得尤为重要。汽车空调风道CFD分析是计算流体力学在汽车空调风道设计上的具体应用，其目的在于改善汽车驾驶室内的驾驶环境和工作条件，提高汽车的舒适性、安全性。挡风玻璃的除霜性能设计是汽车的重要安全性能指标之－，国家提出了相应的法规要求(GB11556-1994)。汽车挡风玻璃的除霜性能与除霜风道的设计有密切的关系。在汽车除霜风道的设计开发中，传统的方案是凭借经验进行设计，这需要在整车试制完成后才能进行试验测试，此时改变除霜风道，可能会涉及布置、内饰甚至模具的修改，成本和代价很大。因此，通过CFD的方法，可以（提前预测）反映车辆内部复杂流场中的流动特征并提供任意截面与位置上的流速、压力等参数。通过瞬态模拟，还可以获得随时间变化的除霜效果图。这些信息可用于指导车辆设计与改进，替代或部分替代耗费较大的模型或实车试验，为其深入研究提供有效手段。1基本理论1.1CFD除霜分析原理气流从除霜风管吹入乘员舱，在乘员舱内形成一个相对稳定的流场，温度场随气流进口边界条件的变化而不断改变，乘员舱内部温度场对玻璃内表面的温升造成影响，进而引起玻璃内表面和外表面之间的热传导，处于玻璃外表面的冰层接受热量，当接受到的热量到达冰层潜在融化热量时，冰层开始融化，冰层与环境的外部热交换环境与壁面间的热交换可以用热传导和热辐射来描述：（1）（2）式中，ℎeTextTiceT当壁面被内部气流加热时，热流通过热传导和辐射的方式传递达到壁面，也就是玻璃内表面，而玻璃内部的热传导是通过固体区域网格模拟的。通过计算可以得到玻璃外表面的温度，当Tice<0℃时，忽略冰层和玻璃外表面之间的热阻，近似认为玻璃外层的温度就等于冰层的温度；Tice冰层从固体变为液体的质量是在每个单元里通过冰层能量平衡方程计算的：（3）通过上述能量平衡方程，可以算出已融化冰层的质量密度dm（kg/m3）和冰层厚度的减小值dδ：（4）（5）其中CLρice冰层融化成水后不再考虑该部分液体的流动情况，一旦冰层融化，玻璃外表面就直接与外界环境进行热交换，玻璃温度也会随之上升，直到整个热传递达到平衡。1.2CFD除霜分析步骤为了加速计算收敛，减少计算时间，除霜的解析分两步进行：(1)获得乘员舱内稳定的空气流场（稳态计算）：解析对象只涉及空气（不考虑玻璃），此时对玻璃层不求解任何方程，这样可以显著减少计算时间。该稳定的流场将被作为初场进行下一步计算。(2)除霜过程计算（非稳态计算）在上一步获得的稳态流场基础上，将玻璃层纳入求解域。在全部计算域进行流动/换热计算，并打开除霜模型，开始除霜解析（非稳态）。2除霜分析模型建立2.1三维数模的建立对某试验样车的车身内饰件以及风道、仪表板等数模和空调风道的数模进行几何清理，除去外面的支架结构以及对内部影响不大的结构，几何清理后的模型见图1。图2-1车身数模2.2网格模型的建立整个车身模型生成trim体网格。根据计算的需要，对车身出口进行相关处理，沿出口边界的法向方向，进行一定的延伸，将出口边界延伸一定的距离有助于计算结果的稳定性；对车身网格设置加密区。对蒸发器和暖风芯子不进行网格划分，将其处理为多孔介质，多孔的惯性系数和粘性系数根据通过芯子的风量和压差插值求得，对前挡风玻璃和侧窗玻璃单独拉伸网格，并单独设置边界层，根据玻璃厚度拉伸网格尺寸和边界层尺寸。网格模型见图2。图2-2网格模型图2.3边界条件稳态计算：模型采用速度进口边界，进口速度通过排气流量和排气管道截面积计算，进口流量取额定工况，出口边界为压力出口，设为p=0Pa。瞬态计算：进口边界的速度场由稳态计算结果输入，温度场根据高寒试验所测数据设置。出口仍为压力出口。初始温度为253K。玻璃的对流换热系数设为7。冰层厚度设为0.5mm。2.4物理模型及材料参数首先对车身内的流体进行稳态分析，根据边界条件，计算雷诺数，分析所采用的湍流物理模型为：K-ETurbulence模型。所用的气态流体恒定密度。所用的空气物理参数为默认值。瞬态计算：启动非稳态模型，打开固体模型，冰层模型和能量方程。3计算结果3.1稳态计算结果1、各出风口截面速度云图如下图3所示，风道内空气流动矢量图如图4所示：图3-1除霜风道出风口截面速度云图图3-2除霜风道内空气流动矢量图从风道出口截面的的速度云图和风道内空气流动的矢量图可以看出，在风道进口处，空气速度较大，撞击到管道上迅速分流，由于中间出口较短，导致中间出口靠近进口一侧出现回流，导致中间出口风量较小。另外在右1出口与中出口的中间管道管径变小，导致右1出口处风速较大，并且分布不均匀。右侧侧风玻璃处的风量较大，为6.4%，左侧侧风玻璃处的流量只有3.2%，原因是管道右侧的管径较大，根据左右侧风玻璃5%风量的分配规律，应适当增大左侧管径。2、前挡风玻璃表面的速度分布云图如图5所示：图3-3气流速度标量图图3-4气流速度大于1m/s云图图3-5前挡风速度流线图由图5可以看出,气流吹向的有效区域，前风挡玻璃A区、A’区的气流速度较小，不利于快速去除挡风玻璃上的霜；B区中间上部及下部速度都较低。另外，从图5和图6可以看出A区红色圈区域内几乎没有气流，这使得这部分的冰霜难以融化，不能满足国标20分钟内出去A区的80%的要求，这与高寒试验结果一致。3.2瞬态计算结果从仿真结果都可以看出，在20分钟后，A区除去的霜不足80%，没有达到法规要求，在25分钟A'区的霜融化了85%，40分钟后前挡风玻璃的霜基本除去。（a）10分后效果图（b）15分后效果图（c）20分后效果图（d）测25分后效果图图3-6前窗瞬态模拟仿真结果侧窗没有强制的法规要求，但对于驾驶人员视野同样重要。图4显示的是20分钟后左右侧窗霜层厚度。右侧视野区域的冰层基本除尽，效果良好。但是左侧视野区域冰层厚度较大，而左侧是驾驶员的一侧，这不利于驾驶员的行车。因此左侧风道有待改善。3.3对标分析结果（a）除霜检测10分后效果图（b）除霜检测15分后效果图（c）除霜检测20分后效果图（d）除霜检测25分后效果图图3-7仿真模拟与试验对标通过仿真模拟与试验对标发现，仿真模拟的结果与除霜试验的结果基本一致，由于试验过程中使用雨刷刮霜，因此试验的结果略快于仿真模拟的结果。从试验结果和仿真结果都可以看出，在20分钟后，A区除去的霜不足80%，没有达到法规要求，在25分钟A'区的霜融化了85%，40分钟后前挡风玻璃的霜基本除去。通过仿真与试验对比证明所建立的仿真模型具备一定有效性，可以用来继续后续优化分析指导设计。4优化方案4.1优化方案在调校后的模型基础上进行优化方案的分析。根据前期的分析结果可知：前挡风玻璃的上部风速较小，不利于除霜，建议将格栅尺寸细化，以增大格栅出口的风速，在管道的中间出风口和左1出风口添加扰流板。图4-1风道出口格栅图4-2管道增加扰流板4.2优化方案的稳态模拟结果将格栅出口缩小后的前挡风速度分布云图可以看出，在A区左上角的风量增大了很多，并且风速的方向也向风窗中部偏移了，效果比较明显。通过比较增加扰流板前后前挡风玻璃上的风速分布云图（图4-4和图4-5）可以看出，增加扰流板后的风量分布明显变好，尤其是在A区，风量明显增加，说明增加扰流板可以改善除霜效果，但是中部风量还有些不足。图4-3原模型模拟结果图4-4缩小出口的模拟结果图4-5增加扰流板模拟结果4.3瞬态模拟结果通过对稳态风速分布云图，对改善效果最明显的缩小出口方案进行瞬态计算，计算结果如下图。通过前挡风玻璃上的冰层厚度分布图可以看出，在20分钟后，原模型A的冰霜没有除尽80%，尤其是在A区的右上角，修改后的模型A区的80%基本除尽；25分钟后，原模型的A区仍有冰霜，但修改后的模型A区冰霜已经除尽。（a）10分后优化前后效果图（b）15分后优化前后效果图（c）20分后优化前后效果图（d）25分后优化前后效果图图4-6优化风道后前挡风玻璃霜层厚度5结论5.1通过该项目的分析，有效地验证了CD-adapco公司的Star-CCM+在卡车除霜仿真分析中的成功运用。5.2成功的建立了卡车除霜分析的仿真模型，并与试验对比分析，验证了仿真模型的有效性。5.3该项目的除霜分析有效地分析出原始设计存在的风险区域并提供