基于STAR-CCM+的汽车除霜风道CFD分析及优化 王春海;刘永强
【摘 要】利用STAR-CCM+三维流体分析软件对某款商用车的除霜除雾风道进行稳态CFD数值模拟分析,计算出各出风口分风比例未达到要求,且风窗上气流速度分布也未满足要求.通过优化除霜风道,改善了分风比例,增大了风窗上的风速,使其能达到除霜除雾的要求. 【期刊名称】《汽车电器》
【年(卷),期】2019(000)003
【总页数】引道结构图3页(P58-60)
锚杆测力计【关键词】除霜除雾;CFD;分风比例
【作 者】王春海;刘永强
【作者单位】保定长安客车制造有限公司,河北定州 073000;保定长安客车制造有限公司,河北定州 073000
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.851
作为汽车在寒冷环境下行驶时对驾驶员视野、行车安全的必要保障，空调系统除霜除雾性能是整车开发中一项重要的指标。
传统的除霜风道及出风口设计主要依赖于经验的积累。该方法的不足之处在于：对风道内部结构设计不甚了解；对气流流动情况不清楚；设计没有理论依据，而且要借助大量的试验验证。导致设计周期长，试验费用高，风道设计复杂且可靠性差［1］。利用CFD分析技术，能够明确研究方向，缩短研发周期，减少反复试验浪费的人力物力财力。
作者以某型MPV的除霜风道系统为例，通过对风道内部的速度场和压力场进行CFD（使用STAR-CCM+软件）分析，分析风道内部结构对风道风量分配及风窗表面流速的影响，提出了一些改进方案并与原来设计进行比较。这对设计和优化除霜风道，有着重要的工程价值和意义。
1 空调除霜系统介绍
疲劳值
空调系统除霜是利用HVAC喷射出的暖风对玻璃进行加热，经过热量的传递，使玻璃表层的冰层逐渐熔化，从而达到恢复驾驶员视线，避免因视线受阻引起交通事故的目的。
中国汽车试验标准GB11555－2009中对除霜除雾系统的性能有着严格的规定，该标准要求20 min时A区冰层除尽区域占A区面积的80%以上，25 min时A′区冰层除尽区域占A′区面积的80%，40 min时B区冰层除尽区域占B区面积的95%以上。且10 min除尽A区90%、B区80%的雾层。
2 理论基础
风道系统的CFD分析基于质量、动能、能量守恒的3个基本传递方程。对于处于湍流模式下的不可压缩性流体采用标准k-ε两方程模型。标准k-ε模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能k和扩散率ε。k方程是个精确方程，ε方程是由经验公式导出的方程［2］。
湍流动能k输运方程：
湍流耗散率ε输运方程：
式中：G k——由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；G b——由浮力引起的湍动能k的产生项；Y M——可压湍流中脉动扩张的贡献；C1z、C2z、C3z——经验常数；σk、σz——与湍流能k和耗散率对应的Prandtl数；S k、S z——用户定义的源项。
3 原始模型分析
3.1 网格划分
提取除霜风道系统的流体计算区域，并对乘员舱的内CAS模型进行必要的简化处理，最终形成封闭的流体区域，如图1所示。
图1 流体区域模型
在hypermesh里生成三角形面网格，再利用STAR-CCM+进行体网格划分，采用多面体网格模型，并对风道、前风挡玻璃、侧风窗、格栅附近进行网格局部加密。
3.2 边界条件
玻璃钢拉挤模具流体介质为空气，采用稳态CFD分析，进口为质量流量进口，流量为0.1361 kg／s （400
m3／h），进口流量为实测值；出口为压力出口，0 Pa。
3.3 评价标准
除霜除雾性能主要从前挡和侧窗近壁气流速度分布情况直观反映，因此需重点关注这两个量，优良的风量分配能够同时确保前除霜和侧除霜都达到理想的效果，同时管路的压力损失过大会致使总风量下降，影响实车除霜除雾性能，所以压损应控制在合理范围。
udiab根据试验数据及经验确定，风窗玻璃气流速度分布及风量分配的评价标准见表1。
表1 分析评价标准除霜模式面积A 区速度＞2m／s面积B区速度＞1m／s面积L区速度＞2m／s面积R 区速度＞2m／s面积风量分配压力损失标准≥80%×A区面积≥95%×B区面积≥100%×L区面积≥100%×R区面积8%～12%:38%～42%:38%～42%:8%～12%压损需满足HVAC分解目标值（通常不应高于150Pa）
3.4 原始模型分析结果
经计算，原始模型的前挡风玻璃的气流速度分布见表2，分风比例见表3，除霜系统压损见表4。
表2 风窗气流速度分布表A 区＞2m／s面积A′区＞2m／s面积B 区＞1m／s面积L区＞2m／s面积R 区＞2m／s面积分析值100%94.8%99.8%12.4%19.4%目标值≥80%≥80%≥95%≥100%≥100%
表3 出风口分风比例出风口分风比例目标值左右9.86%8%～12%中左39%38%～42%中右42.2%38%～42%8.94%8%～12%
表4 除霜系统压损风道压损分析值／Pa 65.8目标值／Pa 150
从表2可以看出，A区、A′区、B区的气流速度分布满足目标值，但L区、R区气流速度分布不满足目标值，且相差较多；从表3看出，分风比例方面，中右出风口分风略高于目标值，其余出风口分风比例满足目标值；除霜系统压损满足目标值。
左、右侧风窗玻璃表面气流速度分布如图2所示。从图2看出，左右侧风窗气流落点较高，导致L区和R区的气流速度较低。
图2 左右两侧风窗玻璃气流速度分布图
3.5 优化设计CFD分析
鉴于以上分析结果，在原风道基础上，提出一些优化设计方案。
csmate
1）如图3所示，将除霜风道分岔处向副驾驶方向移动，并提前分岔，目的是增加中左和左侧窗风口出风量。
图3 除霜风道改进前后对比图
图4 左侧侧除霜风道改进前后对比图
2）如图4所示，将左侧侧除霜风道的弧度变小，并改变出风口格栅的角度，目的是改变该出风口气流的落点，使其落在L区。右侧侧除霜风道改进方法与此相同，如图5所示。
图5 右侧侧除霜风道改进前后对比图
改进后的风道风窗表面速度分布、分风比例见表5、表6。
表5 风窗表面速度分布A 区＞2m／s面积A′区＞2m／s面积B 区＞1m／s面积L区＞2m／s面积R 区＞2m／s面积原始模型100%94.8%99.8%12.4%19.4%优化模型98.5%93.2%99.7%100%100%目标值≥80%≥80%≥95%≥100%≥100%
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