摘要

準(zhǔn)確預(yù)測低溫下風(fēng)擋玻璃結(jié)霧和除霧的過程，有助于汽車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過在商用CFD軟件STAR-CCM+中使用多相流方法和額外的自定義函數(shù)，可以建立一個(gè)能夠計(jì)算擋風(fēng)玻璃上因凝結(jié)而產(chǎn)生霧化的水滴數(shù)量的模型。同時(shí)考慮了不同的參數(shù)，如相對濕度、空氣溫度、質(zhì)量流量和液滴分布對結(jié)霧過程的影響。由于擋風(fēng)玻璃表面的狀況，冷凝會(huì)以不同大小的小液滴的形式發(fā)生。首先需要得到這些微小液滴的分布以通過數(shù)值估算得到冷凝過程中的換熱系數(shù)，以預(yù)測除霧時(shí)間。這個(gè)分布是在準(zhǔn)備工作的實(shí)驗(yàn)中通過使用一個(gè)裝有顯微鏡的相機(jī)，來采集擋風(fēng)玻璃上的冷凝樣本。結(jié)果表明，相對濕度、空氣溫度、車速和霧滴分布對結(jié)霧方式和結(jié)霧時(shí)間都有影響。由于這個(gè)簡單的顯微鏡實(shí)驗(yàn)的邊界條件存在不確定性，目前正在研究一個(gè)完整的試驗(yàn)臺(tái)，并計(jì)劃進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。

簡介

除霧是空調(diào)系統(tǒng)中最重要的功能之一，因?yàn)樗ＷC了駕駛員足夠的能見度。霧的形成取決于許多參數(shù)。因此，要精確地設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)，有必要對除霧過程中的車輛進(jìn)行模擬。近十年來，人們進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究，以模擬擋風(fēng)玻璃上的霧化及其背后的物理過程。使用CAE有助于估算進(jìn)入客艙的空氣流量，并盡可能精確地確定空調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)。當(dāng)玻璃的溫度降到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，周圍空氣中的水蒸氣就會(huì)在玻璃表面凝結(jié)成微小的液滴。這些小液滴在傳熱和傳質(zhì)過程中不斷長大。

Hassan等人假設(shè)用擋風(fēng)玻璃上的液水層來代表霧，在給定的氣流下預(yù)測除霧時(shí)間。然而，由于擋風(fēng)玻璃的表面并不完美，霧以微小的水滴的形式出現(xiàn)，這些水滴形成于特定的位置，稱為凝結(jié)核。因此，水層的假設(shè)沒有考慮到剩余干燥部分與周圍空氣之間的對流換熱，無法準(zhǔn)確預(yù)測出霧化過程中的換熱。

Kitada等人通過CFD分析預(yù)測了基于液滴蒸發(fā)和冷凝的瞬態(tài)除霧模式。Croce等人利用傳熱傳質(zhì)類比和能量守衡開發(fā)了一個(gè)在擋風(fēng)玻璃上結(jié)霧和除霧的數(shù)值模型。他們假定霧是由表面的小液滴凝結(jié)而成的。其他主要假設(shè)是根據(jù)Beysens的液滴分布的自相似，液滴覆蓋面積與總面積的比值保持恒定(A= 0.55)。液滴為半球形，接觸角恒定且為90°。并利用Margrain和Owen實(shí)驗(yàn)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。這個(gè)模型有一些局限性，因?yàn)樗鼪]有考慮小液滴的熱力學(xué)和原子核的位置。此外，還沒有考慮由于表面潛熱傳遞而產(chǎn)生的熱反饋。 本文提出的模型著重于一個(gè)精確的霧化模型。微小液滴的凝結(jié)初始過程取決于凝結(jié)核的位置和表面的狀態(tài)，以及空氣的溫度和相對濕度。采用附加方程或獨(dú)立的歐拉相對霧滴進(jìn)行建模，可以精確計(jì)算霧滴與周圍潮濕空氣之間的傳熱和傳質(zhì)過程。

方法論

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對結(jié)霧和除霧過程進(jìn)行了仿真。使用STAR-CCM+，應(yīng)用有限體積法通過N-S方程、連續(xù)性方程和能量方程來求解全3D時(shí)間。然后，利用每個(gè)時(shí)間步末的壓力場和溫度場計(jì)算附加參數(shù):分壓、飽和壓、相對濕度、液滴的最小半徑、最大半徑、冷凝速率、凝結(jié)引起的熱流和液滴直徑。選擇了兩種方法，第一種是將濕空氣模擬為多組分氣體，并使用附加的用戶定義函數(shù)來計(jì)算液滴高度、蒸發(fā)/冷凝速率和冷凝過程引起的熱流。第二種方法將潮濕的空氣和液滴都模擬為歐拉相。解出兩組方程，兩相壓強(qiáng)相等。然而，最大蒸發(fā)/冷凝速率是用場函數(shù)計(jì)算的，并用作特定的界面質(zhì)量通量。該模型可分為兩部分:檢測冷凝開始的時(shí)間和地點(diǎn)，計(jì)算冷凝引起的傳熱和傳質(zhì)，以預(yù)測霧化模式和估計(jì)除霧時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)表面的狀態(tài)(灰塵、孔洞、粗糙度)和熱條件，液滴會(huì)在特定的位置形成，這些位置稱為“成核位置”。Rose提出了成核密度的理論表達(dá)式:

這個(gè)表達(dá)式和Leach等人發(fā)現(xiàn)的成核密度在特定的材料上得到了驗(yàn)證。對于擋風(fēng)玻璃，還沒有做過任何實(shí)驗(yàn)。裝有照相機(jī)的顯微鏡用來觀察發(fā)生凝結(jié)的擋風(fēng)玻璃上的小碎片。這種凝結(jié)是通過將擋風(fēng)玻璃的樣品置于沸水之上而產(chǎn)生的?？刂扑臏囟群团囵B(yǎng)時(shí)間。然后用直接安裝在顯微鏡上的佳能EOS 20D相機(jī)拍攝一些照片，然后用MATLAB進(jìn)行后期處理。它提供了液滴所覆蓋的面積，即液滴的數(shù)量。因此，可以發(fā)現(xiàn)成核中心密度和液滴分布。

數(shù)值模擬

采用STAR-CCM+進(jìn)行仿真。所采用的網(wǎng)格為多面體網(wǎng)格，通過棱柱層網(wǎng)格的改進(jìn)，基本尺寸為5mm。這七層有1.5倍的拉伸。網(wǎng)格大約為450萬個(gè)。網(wǎng)格設(shè)計(jì)非常重要，因?yàn)樗枰蹲奖砻娣浅Ｐ〉臏囟炔▌?dòng)，以及影響擋風(fēng)玻璃的主要流體流動(dòng)。圖1顯示了執(zhí)行的仿真所使用的網(wǎng)格。

圖1  車輛的網(wǎng)格

流體流動(dòng)是湍流和計(jì)算使用可實(shí)現(xiàn)的K-Epsilon模型。此外，采用雙層壁面處理模型，對邊界層進(jìn)行了合理計(jì)算。

輻射使用“面對面”輻射傳熱來計(jì)算，它能夠模擬非參與介質(zhì)輻射?！岸嗖ǘ螣彷椛洹币脖挥脕砜紤]波長相關(guān)的輻射特性。在沒有任何輻射模型的情況下進(jìn)行了模擬，以確定輻射對霧化模式的影響。由于擋風(fēng)玻璃只傳輸75%的太陽輻射，輻射產(chǎn)生的熱流估計(jì)為100 W/m2。對于環(huán)境溫度為2℃、擋風(fēng)玻璃溫度Tw為20℃、車速為50 km/h時(shí)的典型情況，外對流換熱約為522W/m2。因此，霧化計(jì)算必須考慮輻射。

結(jié)霧模式分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用冷凝模型的第一步是找出被水滴覆蓋的擋風(fēng)玻璃的比例和干燥部分的比例。因此，對專門為測試而制作的10塊不同的擋風(fēng)玻璃進(jìn)行了水滴模式的觀察。

霧化過程中對霧滴形態(tài)的觀察顯示出幾個(gè)相似之處。即使液滴的模式看起來不同，濕潤的區(qū)域也是相似的。

圖2  用MATLAB對圖片進(jìn)行后處理后得到的液滴圖案的例子。（黑色區(qū)域代表液滴）

圖2為MATLAB后處理后得到的液滴圖案實(shí)驗(yàn)結(jié)果示例。通常，圖像被轉(zhuǎn)換成黑白，然后在圖像上檢測表單，并保存每個(gè)表單的幾何數(shù)據(jù)。濕潤區(qū)域?qū)?yīng)黑色區(qū)域，干燥區(qū)域?qū)?yīng)白色區(qū)域。這些值用于計(jì)算冷凝過程中的總熱流量。

在每一種情況下，液滴的模式都是不同的。然而，計(jì)算得到的濕潤面積占總面積的55%，如Beysens所表明的。然而，這些試驗(yàn)的初始條件并不能完全控制。因此，一種能夠更好地控制空氣溫度和相對濕度的實(shí)驗(yàn)裝置正在研制中。

計(jì)算結(jié)果

結(jié)霧風(fēng)險(xiǎn)

該模型的第一個(gè)應(yīng)用是了解冷凝開始的時(shí)間和地點(diǎn)，這有助于HVAC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先，露點(diǎn)溫度被用來很好地估計(jì)哪里可能出現(xiàn)起霧。因此，創(chuàng)建了一個(gè)名為“冷凝指示器”的新函數(shù)。當(dāng)溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，此功能設(shè)置為1，否則為0。圖4顯示了模擬500秒后使用冷凝指示功能得到的結(jié)果示例。

圖3  時(shí)間步長= 500s時(shí)車輛冷凝指示器

霧化模式顯示出兩個(gè)不同的區(qū)域。然而在現(xiàn)實(shí)中，擋風(fēng)玻璃的一個(gè)區(qū)域是模糊和可見之間的。因此，“冷凝指示器”功能不能準(zhǔn)確預(yù)測可能起霧的區(qū)域。由于這個(gè)預(yù)測是用來知道凝結(jié)模型必須應(yīng)用的地方，因此必須找到一個(gè)更精確的標(biāo)準(zhǔn)。因此，使用之前定義的飽和比。圖4顯示了與圖3相同的霧化模式，但用飽和比表示。

圖4  模擬500秒后的車輛霧化模式

飽和比更準(zhǔn)確地提供了冷凝發(fā)生的區(qū)域;有一個(gè)過渡區(qū)域用橙色表示。紅色的區(qū)域是沒有霧的區(qū)域，對應(yīng)的是暖空氣的來源地。因此，側(cè)窗的起霧更重要。因此，這個(gè)“飽和比”函數(shù)可以準(zhǔn)確地知道在哪里可以應(yīng)用冷凝模型。

相對濕度的影響

相對濕度是影響起霧和凝結(jié)現(xiàn)象的最重要的參數(shù)之一。它直接控制液滴的生長，并用于計(jì)算液滴的傳熱和傳質(zhì)。研究了相對濕度對霧滴形態(tài)、霧滴生長及除霧時(shí)間的影響。下表總結(jié)了模擬案例的特點(diǎn):

表1  車輛數(shù)值仿真主要參數(shù)總結(jié)

圖5、圖6、圖7顯示了不同初始相對濕度的空氣同時(shí)起霧的情況。初始相對濕度對除霧時(shí)間有影響。初始空氣相對濕度越大，除霧時(shí)間越長。因此，在計(jì)算開始時(shí)對相對濕度的估計(jì)對于準(zhǔn)確預(yù)測霧態(tài)是至關(guān)重要的。

此外，相對濕度也影響液滴的大小，因?yàn)樗苯涌刂瞥霈F(xiàn)在擋風(fēng)玻璃上的初始液滴的大小。它主要影響液滴的最小半徑。

圖5 在相對濕度為60%的情況下，500秒后有霧狀（孔表示無霧）

圖6 在相對濕度為80%的情況下，500秒后出現(xiàn)霧狀

圖7 在相對濕度為90%的情況下，500秒后出現(xiàn)霧狀

圖8顯示了擋風(fēng)玻璃溫度和相對濕度對最小成核半徑的影響。在較低的相對濕度和較高的擋風(fēng)玻璃溫度下，最小半徑更大。這意味著，在起霧初期，液滴是相當(dāng)大的，這樣霧化就更分散了。

圖8 擋風(fēng)玻璃溫度和相對濕度對最小半徑的影響

相對濕度對霧滴直徑也有影響。相對濕度越大，液滴直徑越大。因此，相對濕度是控制霧滴大小的主要參數(shù)。相對濕度較小時(shí)，霧滴較大，但除霧時(shí)間較短(見圖9和圖10)。

圖9 相對濕度為60%，500秒后液滴平均直徑 

圖10 相對濕度為70%，500秒后液滴平均直徑

空氣溫度的影響

圖11 氣溫對最小半徑的影響

圖11顯示了氣溫對最小半徑的影響。在相對濕度相同、擋風(fēng)玻璃溫度相同的情況下，最小半徑隨溫度升高而略有增大。

汽車速度的影響

由于在擋風(fēng)玻璃外側(cè)發(fā)生的對流與汽車的速度直接相關(guān)，它也會(huì)影響起霧。

圖12顯示了外換熱系數(shù)與車體速度的關(guān)系。由于高速時(shí)的換熱系數(shù)高得多，擋風(fēng)玻璃的溫度迅速下降，然后霧狀現(xiàn)象迅速出現(xiàn)。

圖12 對流換熱系數(shù)與汽車速度的關(guān)系

表面狀態(tài)的影響

表面狀態(tài)很大程度上影響冷凝過程，因?yàn)樗苯涌刂瞥珊说臄?shù)量，從而在擋風(fēng)玻璃上增加液滴的數(shù)量。圖13顯示了擋風(fēng)玻璃上液滴的重新劃分。水滴并不總是半球形的，觀察到的變形是擋風(fēng)玻璃表面狀態(tài)導(dǎo)致的結(jié)果。

圖13 液滴的分布

接觸角的影響

圖14 擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗的接觸角重新劃分

接觸角也會(huì)影響傳熱，如圖15所示。它表示接觸角為90°時(shí)達(dá)到的最大換熱系數(shù)與不同接觸角時(shí)換熱的比值。當(dāng)接觸角為60°時(shí)，傳熱減少約50%。此外，Briscoe和Galvin表明，接觸角在90°左右時(shí)，光通過玻璃的透射率降低了約50%。半球形液滴的假設(shè)給出了能見度方面的最壞情況，但在除霧時(shí)間方面給出了最好的情況。熱傳遞是最大的，并進(jìn)入表面，所以擋風(fēng)玻璃加熱，然后除霧再次開始。

圖15 最大傳熱系數(shù)與接觸角的百分比

結(jié)論

除霧/結(jié)霧模式和除霧時(shí)間的預(yù)測需要對引起霧化的液滴冷凝過程的物理特性有準(zhǔn)確的了解。當(dāng)擋風(fēng)玻璃溫度降至所謂的露點(diǎn)溫度以下時(shí)，結(jié)霧就開始了。然后在表面形成微小的液滴。這種微小液滴的形成引起了質(zhì)量傳遞，并將熱量釋放到擋風(fēng)玻璃中。

模型的第一步能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測起結(jié)霧的地點(diǎn)和時(shí)間。這一步也用來確定在哪里計(jì)算冷凝，從而減少了車輛的計(jì)算時(shí)間。模型的第二步計(jì)算了液滴的尺寸和冷凝過程中的傳熱傳質(zhì)。因此，研究了不同參數(shù)的影響。

相對濕度在結(jié)霧和除霧模擬中起著至關(guān)重要的作用。這里的假設(shè)認(rèn)為相對濕度是已知的，并且定義明確。實(shí)際上，可能會(huì)出現(xiàn)一些濕氣源，增加相對濕度。這種增加會(huì)產(chǎn)生更大的霧滴，但也會(huì)產(chǎn)生更長的除霧時(shí)間。

表面狀態(tài)和接觸角對冷凝熱通量有重要影響。使用半球形液滴，光的傳輸減少50%，熱傳遞最大化。因此，表面的選擇是至關(guān)重要的，以避免這種臨界接觸角。

文章來源：Daimler AG-Wolfgang Roessner, Heinrich Reister, "Numerical Investigation of Droplets Condensation on a Windshield: Prediction of Fogging Behavior," SAE Technical Paper 2015-01-0360, 2015, https://doi.org/10.4271/2015-03-0360.