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汽車除霜性能仿真與精度驗(yàn)證
2020-09-24 16:58:57· 來(lái)源：汽車CFD技術(shù)之家
1 除霜仿真分析模型1.1 基本模型汽車玻璃除霜是一個(gè)極其復(fù)雜的物理過(guò)程，涉及車身、風(fēng)道與環(huán)境的對(duì)流換熱、車身結(jié)構(gòu)材料的熱傳遞、霜層的融化吸熱等。按暖風(fēng)流通
1 除霜仿真分析模型
1.1 基本模型
汽車玻璃除霜是一個(gè)極其復(fù)雜的物理過(guò)程，涉及車身、風(fēng)道與環(huán)境的對(duì)流換熱、車身結(jié)構(gòu)材料的熱傳遞、霜層的融化吸熱等。按暖風(fēng)流通的路徑又可將除霜過(guò)程分為：鼓風(fēng)機(jī)吸風(fēng)、冷風(fēng)加熱、暖風(fēng)除霜三個(gè)階段，如圖1 所示。
本文主要關(guān)注霜層融化的仿真精度，不再對(duì)暖風(fēng)芯體換熱過(guò)程建模。簡(jiǎn)化后的仿真分析模型主要涉及熱流體的流動(dòng)與傳熱，固體玻璃的導(dǎo)熱，霜層的融化，車身內(nèi)外飾與內(nèi)外環(huán)境的對(duì)流換熱。
仿真分析模型是從暖風(fēng)除霜過(guò)程開(kāi)始搭建的。為了獲取出風(fēng)口較真實(shí)的流場(chǎng)分布，這里仍保留了空調(diào)箱及風(fēng)道的幾何結(jié)構(gòu)，如圖2所示。計(jì)算域包括空調(diào)箱、乘員艙、固體玻璃、玻璃外空氣域及霜層。其中，霜層由玻璃外與空氣域交界面創(chuàng)建的殼網(wǎng)格構(gòu)成。
1.2 設(shè)置參數(shù)
仿真是對(duì)現(xiàn)實(shí)的虛擬。模型中設(shè)置參數(shù)如邊界條件、材料屬性等與真實(shí)值或多或少存在一定偏差，這些差異都將影響最終的仿真結(jié)果。
設(shè)置參數(shù)一般分為輸入?yún)?shù)、邊界條件及材料屬性三類，如圖3 所示。
1.2.1 輸入?yún)?shù)
輸入?yún)?shù)是指除霜模式下的整車風(fēng)量、風(fēng)口風(fēng)溫及霜層厚度
除霜風(fēng)量與風(fēng)溫與車輛性能有關(guān)。風(fēng)量是在整車狀態(tài)下，由專用設(shè)備測(cè)量獲得，如圖4所示。
用此方法測(cè)得為常溫下的除霜風(fēng)量。在除霜過(guò)程中，環(huán)境溫度約為-20℃，且經(jīng)暖風(fēng)加熱，空氣物理屬性改變，所以風(fēng)量并不固定。
風(fēng)溫在除霜試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。前除霜均勻布置4個(gè)熱電偶，側(cè)除霜各布置1個(gè)，如圖5所示。
霜層厚度與試驗(yàn)條件相關(guān)[15]。本次首次采用三坐標(biāo)掃描儀對(duì)霜層厚度及均勻性進(jìn)行了測(cè)定。為保證不影響視野區(qū)除霜效果，在玻璃外表面布置5塊方形小玻璃，噴完霜層后取下立即進(jìn)行厚度掃描，如圖6所示。
1.2.2 邊界條件
邊界條件主要考慮車身與周圍環(huán)境的對(duì)流及自身熱傳導(dǎo)。因溫度范圍相對(duì)較低，輻射很小，不考慮輻射影響。同時(shí)，也忽略車身結(jié)構(gòu)自身的吸熱量。
為驗(yàn)證邊界條件設(shè)置的合理性，在除霜試驗(yàn)過(guò)程中，在重要位置布置多個(gè)熱電偶，如儀表板、窗立柱、頂棚、座椅表面等，如圖7所示。
1.2.3 材料屬性
在熱仿真中，材料屬性主要指熱物理屬性，包括密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及動(dòng)力黏性（流體）。有些參數(shù)可以從材料庫(kù)直接查得，還有一些需要進(jìn)行特殊處理。
（1）空氣：空氣的密度、導(dǎo)熱系數(shù)與動(dòng)力黏度受溫度的影響很大，仿真分析模型中應(yīng)按真實(shí)值賦值。比熱容隨溫度變化并不大，可視為常數(shù)。
（2）玻璃：玻璃的材料屬性對(duì)溫度并不敏感，本文按常量來(lái)處理。前風(fēng)擋玻璃與前側(cè)窗玻璃一般結(jié)構(gòu)不同，材料屬性也不相同。前風(fēng)擋玻璃一般為具有三層結(jié)構(gòu)的夾膠玻璃，如圖9所示。兩層玻璃間夾一層PVB膠。
（3）霜層：除霜試驗(yàn)中的霜層由高壓噴槍噴出的水霧遇低溫車窗玻璃凝結(jié)而成，吸收經(jīng)玻璃傳遞而來(lái)的部分暖風(fēng)熱量而融化。最先融化的霜層形成液膜附在玻璃表面。在融化的霜層由霜和水兩層結(jié)構(gòu)組成，其物性參數(shù)也需要用綜合系數(shù)來(lái)表征，計(jì)算公式同（7）-（9）。霜或冰為晶體，冰點(diǎn)為0℃（標(biāo)況）。在仿真軟件STAR-CCM+中， 認(rèn)為當(dāng)溫度達(dá)到0.002℃時(shí)，霜層完全融化[13]。
2 仿真精度
依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)除霜性能的要求[16]，本文重點(diǎn)關(guān)注前25min 的除霜精度。模型設(shè)置總時(shí)長(zhǎng)為25min。運(yùn)算過(guò)程中對(duì)出風(fēng)口溫度、風(fēng)窗玻璃外表面及內(nèi)飾表面溫度，除霜面積比進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2.1 出風(fēng)口溫度
風(fēng)道出口溫度直接影響除霜效率，對(duì)仿真精度至關(guān)重要。由于前除霜與側(cè)除霜出風(fēng)口溫差相差較大，需要提前修正側(cè)除霜風(fēng)道對(duì)流換熱系數(shù)，以保證出風(fēng)口溫度仿真值與試驗(yàn)值吻合。由圖11知，仿真值與試驗(yàn)基本一致，300s（5min）之后偏差在1℃以內(nèi)。
2.2 內(nèi)飾表面溫度
為了模擬內(nèi)飾表面升溫現(xiàn)象，模型中施加對(duì)流換熱邊界條件。仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖12所示。因?yàn)榉抡娣治瞿Ｐ椭形纯紤]車身自身溫度升高所吸收的熱量，故在除霜初期仿真溫升比試驗(yàn)偏高。但到達(dá)25min 時(shí)，內(nèi)飾溫度基本穩(wěn)定，此時(shí)仿真值與試驗(yàn)值基本一致。
2.3 除霜過(guò)程
為驗(yàn)證除霜玻璃表面溫度仿真精度，試驗(yàn)中，采用熱感成像儀（見(jiàn)圖13）進(jìn)行了拍攝記錄。對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者溫度分布基本吻合，兩者偏差在3℃以內(nèi)。下面將25min 的結(jié)果對(duì)比如圖14所示。
前除霜仿真比試驗(yàn)慢，可能為試驗(yàn)中前風(fēng)擋玻璃距離機(jī)艙較近，機(jī)艙散發(fā)出來(lái)的熱量使前風(fēng)擋玻璃周圍空氣高于試驗(yàn)艙設(shè)定溫度，最終導(dǎo)致試驗(yàn)除霜速度快于仿真。由于側(cè)窗距離機(jī)艙相對(duì)較遠(yuǎn)，受其溫度影響較小，仿真精度也較高，左除霜與右除霜仿真精度均在90%以上。
3 結(jié)論
本文通過(guò)理論計(jì)算或試驗(yàn)測(cè)試等多種途徑，對(duì)仿真分析模型中的各輸入?yún)?shù)均進(jìn)行了研究，從輸入?yún)?shù)、邊界條件及材料屬性三個(gè)方面，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，保證了每個(gè)參數(shù)的輸入精度，完成了除霜性能仿真標(biāo)準(zhǔn)的制定。試驗(yàn)結(jié)果表明：在輸入?yún)?shù)準(zhǔn)確的情況下，基于STAR-CCM+的除霜仿真分析模型可以很精確的評(píng)估除霜性能，保證在整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中除霜性能的達(dá)成。
（摘自-胡忠輝，劉存斌，劉東→汽車除霜性能仿真與精度驗(yàn)證）
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