摘要

駕駛時(shí)，在擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗上有合理的氣流分布對于能見度的影響是至關(guān)重要的。在擋風(fēng)玻璃上形成的霧或冰是看不清路況的主要原因，從而導(dǎo)致重大的安全問題。研究表明，在汽車暖風(fēng)空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)除霜模式下，良好的流型和均勻的流量分布可以獲得較好的擋風(fēng)玻璃能見度。在本研究中，利用STAR-CCM+建立了一個(gè)汽車客艙三維數(shù)值模型。采用RANS方法和可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型，模擬了除霜模式下風(fēng)擋玻璃上的氣流場。詳細(xì)分析了暖風(fēng)空調(diào)、通風(fēng)管道和除霜格柵對風(fēng)擋玻璃上的氣流分布進(jìn)行了研究。利用相關(guān)研究將CFD模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，并總結(jié)了數(shù)值測量與實(shí)驗(yàn)測量的相關(guān)系數(shù)。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。為了研究從計(jì)算域中排除暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的影響，所以建立了第二個(gè)模型，發(fā)現(xiàn)除除霜通風(fēng)管道外，暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)對數(shù)值結(jié)果有顯著影響。研究還表明，數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)以及平均誤差百分比的研究是比較擋風(fēng)玻璃表面氣流分布的CFD仿真與實(shí)驗(yàn)研究的可靠工具。

簡介

汽車擋風(fēng)玻璃的能見度是安全駕駛的重要條件。除霜噴嘴必須能夠提供足夠的氣流，并分散和覆蓋擋風(fēng)玻璃的整個(gè)內(nèi)表面。因此，汽車暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)除霜模式的CFD分析在過去幾年受到了整車廠和零部件供應(yīng)商的重視。Roy等人用數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法研究了氣流撞擊擋風(fēng)玻璃斜面的問題。他們的工作代表了汽車暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)除霜模式下的射流，并報(bào)告了局部和平均傳熱系數(shù)。Ashraf和Huang使用CFD方法對除霜模式進(jìn)行建模，并建議在任何新項(xiàng)目的早期階段使用CFD分析來優(yōu)化除霜噴嘴性能，以縮短開發(fā)周期。Chien等人用數(shù)值方法評估了汽車艙內(nèi)的氣流分布，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果很吻合。

本研究的目的是詳細(xì)評估空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)的除霜模式的性能，并確定一個(gè)指導(dǎo)方針，以便在項(xiàng)目的早期階段進(jìn)行更好的性能預(yù)測。雖然，針對擋風(fēng)玻璃和車內(nèi)的氣流分布已經(jīng)做了大量的工作，但這類分析的一些方面還有待改進(jìn)，需要進(jìn)行更多的研究。為了節(jié)約計(jì)算成本和時(shí)間，大部分分析都將空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)排除在計(jì)算域之外。在這種情況下，模擬中只考慮除霜管道和艙室。本研究研究了將空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)排除在計(jì)算域之外的影響。

此外，大多數(shù)研究的CFD分析與測試數(shù)據(jù)吻合良好，然而，需要進(jìn)行CFD結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量之間的比較定性研究。本文應(yīng)用了一種利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性比較的方法。在相關(guān)性研究的基礎(chǔ)上，將幾個(gè)點(diǎn)的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)測量值進(jìn)行了比較，并指出了CFD預(yù)測的平均百分比誤差。

結(jié)果表明，通過流場的數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)研究和計(jì)算風(fēng)擋玻璃上的平均百分比誤差，可以更好地研究風(fēng)擋玻璃上的流動分布模擬流型。

計(jì)算域

為了研究在除霜模式下的暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，分析了一輛汽車艙室的詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)，包括所有的管道、格柵和整個(gè)暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)?；谒峁┑腃AD數(shù)據(jù)，利用HyperMesh軟件建立了初始三角形面網(wǎng)格。將生成的面網(wǎng)格導(dǎo)入Star-CCM+軟件進(jìn)行網(wǎng)格處理，得到更高質(zhì)量的面網(wǎng)格。為了更好地預(yù)測邊界附近的流動，計(jì)算單元選擇了具有兩個(gè)棱柱層的六面體網(wǎng)格。為了適應(yīng)暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和前艙的不同網(wǎng)格尺寸，使用了多個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，其中，更細(xì)的網(wǎng)格應(yīng)用于更好的精度，而在后艙部分，選擇了更粗的網(wǎng)格。圖1顯示了CFD分析中使用的幾何結(jié)構(gòu)。

圖1  包含空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)

圖2  不包含空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)

之前的一些研究只關(guān)注座艙和熱舒適分析，不包括空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)。從計(jì)算域中去除空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)減少了生成面網(wǎng)格和體網(wǎng)格所需的時(shí)間。此外，它大大降低了計(jì)算成本和時(shí)間。為了研究將空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)除的影響，建立了第二個(gè)模型，它基于第一個(gè)模型所建立?？照{(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)被排除在計(jì)算域之外，通過將進(jìn)口區(qū)域擴(kuò)大3到5個(gè)水力直徑來創(chuàng)建虛擬網(wǎng)格域(擴(kuò)展區(qū)域)。該虛擬域提高了求解的收斂性，有較好的精度。圖2顯示了在第二次CFD分析中使用的幾何結(jié)構(gòu)。下文將圖1和圖2的CFD分析分別稱為case 1和case 2。

網(wǎng)格敏感性分析

在選擇網(wǎng)格大小之前，研究了網(wǎng)格獨(dú)立性。這種選擇通?；跀?shù)值精度和計(jì)算時(shí)間之間的權(quán)衡。本研究開始時(shí)研究了五種不同體積的網(wǎng)格尺寸，以選擇合適的網(wǎng)格尺寸。本研究選取了16、8、4、3和2毫米的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性研究。在所有情況下，在空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)和前座艙內(nèi)靠近擋風(fēng)玻璃的任意4個(gè)點(diǎn)對數(shù)值結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格尺寸的詳細(xì)分析。

如圖3所示，繪制這5個(gè)模型在不同網(wǎng)格尺寸下對所選4個(gè)點(diǎn)的速度值進(jìn)行比較。結(jié)果表明，當(dāng)單元尺寸為3 mm時(shí)，900萬體積單元模型滿足網(wǎng)格無關(guān)條件。由于使用更細(xì)的2毫米網(wǎng)格尺寸沒有顯示預(yù)測值的任何變化，不需要額外的試驗(yàn)。因此，所有的分析都是基于3毫米的網(wǎng)格大小進(jìn)行的。

圖3  不同尺寸網(wǎng)格在空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)中任意四點(diǎn)不同速度值

控制方程

本文采用RANS方法在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行分析。為了使控制方程組封閉，必須使用適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ蛠碓u估雷諾應(yīng)力張量。本文采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型模擬除霜模式下風(fēng)擋玻璃上的氣流場。采用k-ε湍流模型是由于其簡單、魯棒性好、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)。此外，在之前的研究中觀察到與測試數(shù)據(jù)的良好相關(guān)性?？刂品匠炭杀硎緸橐话阈问綖?/span>

這里，φ分別代表三個(gè)速度分量u, v, w和湍流動能k以及耗散率ε。Γφ為變量φ的有效交換系數(shù)，Sφ為方程的源項(xiàng)。

邊界條件

如前所述，在本研究中，為了更好地預(yù)測擋風(fēng)玻璃上的流量分布，我們研究了兩種不同的模型，即case 1和case 2。在case1中，以0.11848752 (kg/s)的流速向暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的入口提供氣流，與測試條件類似(圖1)。入口段的空氣溫度為25℃，與測試條件類似。在case2中暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)被排除在分析范圍之外。在這種情況下，根據(jù)第一次分析的測量值，提供到除霜管道入口的空氣流量(圖2)，流速為0.079296518 (kg/s)。入口段的空氣溫度也在25°C。

結(jié)果和討論

氣流分布與流形

除霜管道有兩個(gè)出口，位于駕駛艙模塊上擋風(fēng)玻璃的底部附近。除霜格柵的拍攝角度朝向擋風(fēng)玻璃，除霜模式的目的是將氣流均勻地分布在擋風(fēng)玻璃的整個(gè)內(nèi)表面。在本節(jié)中，給出了使用整個(gè)暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和客艙幾何結(jié)構(gòu)的風(fēng)擋玻璃上的流量分布的仿真結(jié)果，并詳細(xì)討論了與測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

圖4顯示了除霜管道出口的速度標(biāo)量圖。速度標(biāo)量圖顯示在駕駛側(cè)和乘客側(cè)都形成了高速區(qū)域。這些高速區(qū)域是將氣流傳播到整個(gè)擋風(fēng)玻璃表面所必需的。

圖4  除霜管道出口的速度標(biāo)量圖

圖5和圖6分別顯示了基于前后座艙視圖的速度值的流線。流線從除霜管道出口的700個(gè)點(diǎn)發(fā)出。很好地描繪和顯示了氣流在整個(gè)擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面的分布。

圖5  暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)除霜模式下從除霜管道流出的氣流流線圖(前視圖)

圖6  暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)除霜模式下從除霜管道流出的氣流流線圖(后視圖)

圖7顯示了距離擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面5mm的平面上的速度幅線。選擇距離內(nèi)風(fēng)擋玻璃表面5mm的距離是基于實(shí)驗(yàn)測量程序。在試驗(yàn)研究中，對覆蓋整個(gè)風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面的104個(gè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，并利用探頭測量和報(bào)告每個(gè)點(diǎn)的速度值。探頭在距離擋風(fēng)玻璃表面5mm的距離測量。圖8顯示了被測速度值在艙內(nèi)的位置。

圖7  距離擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面5mm的平面上的速度幅線(case1)

圖8  被測速度在計(jì)算域中的位置

此外，為了直觀地比較CFD分析結(jié)果和實(shí)測值，所有的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果都轉(zhuǎn)換為Excel生成的地圖(等高線)。圖9顯示了從實(shí)驗(yàn)研究中得到的Excel生成的速度等值線。

CFD分析結(jié)果(圖7)與實(shí)測值(圖9)吻合較好。在實(shí)驗(yàn)研究中，擋風(fēng)玻璃駕駛員側(cè)的流速比乘客側(cè)的流速高。最大測速幅度約為6 m/s。CFD分析結(jié)果與目測結(jié)果一致，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。然而，除了視覺上的比較，我們還對模擬結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并在下一節(jié)中進(jìn)行了敘述。

為了進(jìn)行這樣的比較，將實(shí)驗(yàn)測量中使用的相同坐標(biāo)和測點(diǎn)導(dǎo)入STAR-CCM+軟件，并為每個(gè)點(diǎn)報(bào)告相應(yīng)的速度值。因此，得到了試驗(yàn)裝置各測點(diǎn)對應(yīng)的預(yù)測流場速度值，用于進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性研究。

圖9  距離風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面5mm處測量速度幅值輪廓

去除暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

有幾位作者利用簡化的CFD模型研究了汽車客艙內(nèi)的流量分布，該模型不包括整個(gè)暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。在這些案例中，他們使用了機(jī)艙的幾何形狀以及所有的管道出口和格柵的細(xì)節(jié)。由于在分析中包括空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)將大大增加計(jì)算成本，在本節(jié)中，我們研究了將空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)排除在計(jì)算域之外的影響，并調(diào)查了CFD結(jié)果的準(zhǔn)確性。在這種情況下，所有的管道和除霜格柵都包含在詳細(xì)的分析和風(fēng)擋玻璃上的氣流分布研究(case2)。

圖10顯示了距離擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面5mm的平面上的速度等值線。研究發(fā)現(xiàn)，排除空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)會影響沖擊風(fēng)擋玻璃表面的氣流方向及其分布規(guī)律，從而降低計(jì)算精度。圖10還顯示了對于駕駛員側(cè)和乘客側(cè)氣流的預(yù)測。在case2中，駕駛員側(cè)的最大速度量級約為7.2米/秒。在實(shí)驗(yàn)研究中，預(yù)測值比實(shí)測值高出20%。雖然在case1和case2中，除霜管道的排出氣流速率是相同的，但排出氣流的均勻性和方向在CFD分析中強(qiáng)烈依賴于模型配置和空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)。

圖10  距離風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面5mm處測量速度幅值輪廓(case2)

統(tǒng)計(jì)分析與相關(guān)性研究

為了更好地驗(yàn)證預(yù)測的風(fēng)擋玻璃上的氣流分布，使用皮爾遜相關(guān)方法進(jìn)行了相關(guān)研究。相關(guān)系數(shù)是兩組數(shù)據(jù)相關(guān)性的可靠統(tǒng)計(jì)度量。Pearson相關(guān)系數(shù)(r)定義為:

式中，x為CFD分析各測點(diǎn)的實(shí)測值，y為實(shí)驗(yàn)測量中同一測點(diǎn)的速度值。皮爾遜相關(guān)系數(shù)描述了這兩組數(shù)據(jù)之間的相似程度和關(guān)系，給出了一個(gè)介于?1和1之間的數(shù)字。

在本節(jié)中，用完整模型(case1)對風(fēng)擋玻璃上的流量分布進(jìn)行了預(yù)測，并與實(shí)測值進(jìn)行了比較，報(bào)告了相關(guān)系數(shù)。在此情況下，統(tǒng)計(jì)分析表明，CFD預(yù)測與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，計(jì)算得到的相似度評估相關(guān)系數(shù)為0.82，表明預(yù)測的風(fēng)擋玻璃流態(tài)與實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果吻合較好。同樣的方法應(yīng)用于case2，得到相關(guān)系數(shù)為0.81。case2的相關(guān)系數(shù)表明其模式與實(shí)驗(yàn)測量的相似。

在這里，case1和case2的相關(guān)系數(shù)值的相同范圍與相關(guān)系數(shù)(r)的性質(zhì)有關(guān)，相關(guān)系數(shù)(r)經(jīng)過歸一化處理，沒有提供速度量級的比較。如前所述，case2中駕駛員側(cè)的最大速度量級值比實(shí)測值多20%，而相關(guān)系數(shù)與case1的報(bào)告值在相同的范圍內(nèi)。這一結(jié)果表明，雖然相關(guān)系數(shù)被認(rèn)為是報(bào)告CFD結(jié)果與測試數(shù)據(jù)的相似性和模式分析的一個(gè)很好的特征，但它應(yīng)該與百分比誤差計(jì)算一起進(jìn)行。為了獲得可靠的結(jié)果和良好的模式預(yù)測，相關(guān)準(zhǔn)則和百分比誤差計(jì)算應(yīng)該一起進(jìn)行和研究。

為了徹底比較這兩種CFD分析，即case1和case2與測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡單的統(tǒng)計(jì)分析。在這種情況下，風(fēng)擋玻璃上的速度值的百分比誤差報(bào)告對應(yīng)于圖8使用以下公式。

case1和case2的CFD分析的平均百分比誤差分別為16.1%和28%。平均百分比誤差清楚地表明，將整個(gè)暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)納入分析可以改進(jìn)CFD預(yù)測。然而，在一些設(shè)計(jì)研究中，CFD分析的目的是在暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)不發(fā)生任何變化的情況下改進(jìn)除霜管道。在這種分析中，一個(gè)建議是使用一個(gè)較小的域(即case2)，并在其進(jìn)口上應(yīng)用速度剖面。換句話說，只需運(yùn)行一次整個(gè)域(即case1)，就可以導(dǎo)出除霜管道入口的數(shù)據(jù)，并將其作為入口邊界條件在更小的域內(nèi)進(jìn)行多重設(shè)計(jì)分析。這一過程可以得到相同的結(jié)果，同時(shí)顯著降低CFD分析的計(jì)算成本。

結(jié)論

在本研究中，采用STAR-CCM+對暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的汽車客艙進(jìn)行了CFD分析，模擬了除霜模式下?lián)躏L(fēng)玻璃上的氣流。詳細(xì)分析了暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、除霜管道和除霜格柵(case1)，并對風(fēng)擋玻璃上的氣流進(jìn)行了研究。CFD分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，相似度評價(jià)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)約為0.82。相關(guān)研究表明，預(yù)測的流型與實(shí)驗(yàn)測量值具有良好的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)，在分析(case2)中，為了減少計(jì)算成本和時(shí)間，將暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)排除在外顯著影響了數(shù)值結(jié)果，不建議這樣做。case1和case2的CFD模擬平均百分比誤差分別為16.1%和28%。此外，研究還表明，皮爾遜相關(guān)系數(shù)是研究氣流模式的有用工具，但建議在除霜模式下對擋風(fēng)玻璃上方的氣流進(jìn)行分析時(shí)，同時(shí)使用這個(gè)相關(guān)系數(shù)和百分比誤差計(jì)算。

文章來源：CalsonicKansei North America, Inc.-Iman Goldasteh, Shi-Ing Chang, Salamah Maaita, Gursaran Mathur, "Numerical Simulation of Airflow Distribution on the Automobile Windshield in Defrost Mode," SAE Technical Paper 2015-01-0330, 2015,https://doi.org/10.4271/2015-01-0330