商用车驾驶室除霜分析

引言
    风管位于仪表板下方，众多电器件交织，设计空间相对狭小，在这样的空间中设计出一个性能良好的除霜风管，是一个不小的挑战。特别是在传统的设计方法中，设计只能依靠经验和不断的试验，出现问题往往也找不出根源，无形中耗费了大量的时间和人力。依靠 CFD仿真分析，可以量化掌握各出风口的出风量；可以分析出暖风风管除霜时前风窗上的盲区，在原有的基础上对局部风管进行更改，使其达到风管的设计标准。同样地，我们可以利用这样的设计思路和仿真的便利，运用在吹脸吹脚风管、汽车空调、发动机进气口等的设计分析上。
    在计算驾驶室除霜分析的时候，我们也要注意与真正试验存在区别的地方，总的来说，主要的区别有以下几点：
    (1)试验时环境温度为-18±3℃
    (2)低温室空气流速应低于 2.2m/s
    (3)整个试验期间，除霜装置应调到最大位置
    (4)试验期间，若风窗刮水器不需人工辅助而能自行工作，则可随时使用刮水器
    当然，CFD的数学模拟方法不可能做到完全和试验条件相吻合，但是用 CFD软件，搭配适当的边界条件，预测挡风玻璃上冰的融化区域和融化程度还是可以达到的。并且，通过对边界条件的修改和网格的重新划分，迅速地对除霜系统进行改进革新。这一优势又是单纯的试验方法无法比拟的。
1 数学模型及边界条件
    该模型在建立时，考虑到驾驶室内部部件各式各样，电子器件、护板等纷繁芜杂，材料上也不尽相同，要想完全建立一个非常实际的网格模型是不可能的。所以，我们只对风管组、仪表板组、内护板组、座椅等主要组成部分予以考虑，并作为建模的主题。对于后面出现的模型的变化，只是风管的更改，不涉及其他任何部件的改变。

图1 驾驶室网格模型俯视图

    数学模型选取 RNG k-ε,通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，并使这些小尺度运动有系统地从控制方程中除去。而且，RNG k-ε模型对流线弯曲程度较大的流动有较好的处理。控制方程的具体表达式如下：

    在 Fluent中，有专门针对除霜除雾的模型对该类问题进行模拟（Define/Models/Solidification&Melting）。整个计算涉及到多个风管的计算，前面的方案度只是进行了流场的分析，只在对最后一个方案进行了流场和温度场的分析。我们都知道，除霜风管暖风的温度和发动机的功率和运行时间相关，对于温度场的分析，我们根据试验得到一个发动机工作后除霜风管温度随时间变化的数据，进行一定的处理后作为温度场计算的边界条件。
2 后处理分析
    从试验结果来看，虽然最后时间点内 A区的除霜达到了要求，但是 C区并未在规定时间内完成除霜100%（见图2），只除去大约85%的冰。从试验的结果看来，司机侧除霜效果整体较好，但是 C区的中间区域冰的融化速度偏弱；另外，风窗的中部区域和 A区的左侧都存在不同程度的冰难以融化的情况。
    既然这样的风管是不达标的，那造成问题的主要原因是什么呢，空调的功率不够大；司机侧和乘客侧分量分配不均匀；还是分出口与风窗玻璃的夹角不够科学？ 通过仿真分析，我们全方位的掌握了该风管的各项特性，发现原始风管的设计缺陷主要体现在前风窗中间部分分量分配较大，但是分布不均匀，并没有沿着风窗往上流动，而是往两侧偏离，造成除霜效果不理想（见图3），C区除霜的不理想区域位于4，5出风口之间，正好形成了一个死角。A区的左侧同样存在这样的问题，同时对应的出风口分量分配相对较低。
    仿真初次分析结果与试验结果在趋势上有很好的比对，局部上的差异主要是因为试验中的描线为冰融化的曲线，仿真的图为前风窗上速度的云图。

图2 冰融化试验图 

图3 前风窗速度云图（仿真数据）

    综合仿真分析的流场和初始试验反映出的情况，对风管设计进行了改进。设计的过程中遇到了各种各样的问题，往往对应的问题区域有很好的风量分配和匀称的流线，但其他区域的流线则不尽如意。最终，在经过 4轮改进后，我们对于第五方案的设计较为满意，流线基本上覆盖了整个区域，前风窗上没有展现出明显的死区（见图5）。所以，在对对第五方案进行了流场分析的基础上，我们进行了温度场分析。

图4 风管设计变化图

图5 改进后的流线图（最终方案）

图6 前风窗速度矢量图（最终方案）

因为刚开始发动机气动，除霜风口入口的温度同环境温度一样，255K。随着时间的推移，除霜风管入口处温度越来越高，除霜的效率也越来越快。从冰层的融化情况看，乘客侧还是略好于司机侧，前风窗上融化情况整体比较均匀，其中中部偏右区域的冰层最难融化（见图7），但是比起初始风管在除霜效果上有质的提升，在除霜 32分钟后，风窗上冰基本除尽。

（a） 17min     （b）22min

（c）27min     （d）32min
图7 挡风玻璃除冰云图

图8 侧风窗冰融化图（25min）

    暖风风管的设计将直接影响着流线在前挡风玻璃上的分布，可以看到，初始设计方案中，入口附近的4，5，6号出口分担着差不多 1/3的总风量分配，大流量分配却没有达成相应的除霜效果，反而削弱了其他区域的流量。风管经过优化后分量分配更加均匀，且细节上的改变是的反映在前风窗上的除霜效果更好（见表1）。

表1 暖风风管风量分配

3 结束语
    该仿真计算很好的模拟出流场在前风窗上的分布以及冰层的融化区域的变化规律，与实际试验情况非常匹配。在每次风管的改进中，有些想法得到实现，有些则不然，这些在计算结果出来之前很难断言更改是否成功。幸而每次仿真的结果都为我们指引了改进方向，并且通过对于风管的多次改型，成功地完成了暖风风管的设计，达到了除霜标准。同时，在多次的改型分析中，积累了风管设计的许多宝贵经验。这样的方法极大的提高了工作效率，节约了试验成本，缩短了设计时间；若在以后开发流程中，类似地仿真分析更加提前的展开，这对于整车的开发促进性是非常大的。

转载：感谢您对网站平台的认可，以及对我们原创作品以及文章的青睐，非常欢迎各位朋友分享到个人站长或者朋友圈，但转载请说明文章出处。