摘要

汽車(chē)前照燈的傳熱性能評(píng)價(jià)和空氣流場(chǎng)預(yù)測(cè)對(duì)于提高前照燈的隔熱性能、耐久性和通風(fēng)性能具有重要意義。在本研究中，以實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方式，探討汽車(chē)前大燈模型內(nèi)的熱傳與空氣流場(chǎng)。首先采用粒子圖像測(cè)速儀（PIV）對(duì)汽車(chē)前照燈內(nèi)的換熱回路進(jìn)行了速度場(chǎng)測(cè)量。然后，通過(guò)使用PIV測(cè)量結(jié)果作為CFD模擬的邊界條件來(lái)進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬。1.前言許多新型機(jī)動(dòng)車(chē)都配備了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的前照燈。在設(shè)計(jì)和制造這些頭燈時(shí)，難以采用傳統(tǒng)的燈結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@些頭燈由于對(duì)小型化、多功能和使用透視透鏡的日益增長(zhǎng)的需求而需要復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，在前照燈設(shè)計(jì)階段，除了光度和可見(jiàn)度特性外，還必須檢查熱傳遞和空氣流通性能等附加特性，從而促使前照燈開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)。為了縮短前照燈的開(kāi)發(fā)周期，在設(shè)計(jì)階段了解前照燈內(nèi)部的熱氣流特性尤為重要。如果這些特性可以通過(guò)CFD預(yù)測(cè)模擬，將有可能優(yōu)化前照燈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，排除與通風(fēng)和傳熱相關(guān)的前照燈問(wèn)題，并選擇具有更高性?xún)r(jià)比的前照燈材料。

圖1  前照燈結(jié)構(gòu)圖然而，在試圖通過(guò)CFD仿真來(lái)理解熱空氣流動(dòng)特性時(shí)存在許多問(wèn)題。圖1所示為構(gòu)成前照燈的部件。從圖中可以明顯看出，大燈內(nèi)部形狀復(fù)雜，零件數(shù)量較多。而且，一個(gè)組裝好的前照燈包含許多小的隔間空間，其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要大量的模擬來(lái)生成CFD中的網(wǎng)格。為了說(shuō)明燈泡的熱輻射和通過(guò)前照燈中約1mm厚的塑料部件的熱傳輸，模擬必須處理數(shù)百萬(wàn)數(shù)量級(jí)的大量接觸點(diǎn)。在本研究中，我們制作了一個(gè)前照燈骨架模型，以進(jìn)行CFD模擬和PIV測(cè)量，并將CFD和PIV結(jié)果進(jìn)行比較，以確定CFD預(yù)測(cè)前照燈內(nèi)部溫度和空氣流場(chǎng)的問(wèn)題。

2.用于CFD/PIV的骨架模型

圖2圖示了安裝在車(chē)輛上的頭燈的橫截面。前照燈通過(guò)其車(chē)身后部接收從發(fā)動(dòng)機(jī)室輻射的熱量，但在其前透鏡表面上，前照燈在行駛過(guò)程中由開(kāi)放空氣冷卻。因此，被燈泡表面加熱的空氣沿著反射器向上流動(dòng)，碰撞到透鏡中，然后沿著透鏡的內(nèi)表面形成下降氣流。部分空氣通過(guò)反射器和延伸部之間的間隙沿著主體循環(huán)。此外，通過(guò)上下空氣出口，空氣在前照燈和發(fā)動(dòng)機(jī)室之間交換。

圖2  前照燈內(nèi)氣體流動(dòng)情況在本研究中，我們采用了一個(gè)前照燈骨架模型，以方便PIV測(cè)量。該模型由反射器和擴(kuò)展組成，兩者都包含在丙烯酸外殼中。圖3-1和3-2顯示了我們用于PIV測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置。所有的頭燈部件，除了透鏡和身體，都被包裹在3毫米厚的丙烯酸板。通過(guò)使用骨架模型，方便我們進(jìn)行PIV測(cè)量。在PIV測(cè)量中激光束照射在薄層中，并且根據(jù)存在于激光薄層內(nèi)部的示蹤劑粒子的色散圖像來(lái)測(cè)量速度。如果由橫向交叉的激光薄層形成的壓克力表面是平坦的，則壓克力對(duì)激光束的折射可以忽略。

圖3-1  骨架模型（前面）

圖3-2  骨架模型（后面）

表1所示為骨架模型前照燈的無(wú)量綱參數(shù)。在模擬無(wú)量綱參數(shù)時(shí)，采用表2所示的特征速度和空氣性質(zhì)?？諝庑再|(zhì)值為400 K。在計(jì)算特征速度時(shí)，將骨架模型內(nèi)部的最大空氣溫差設(shè)定為100 K。由于Re= 3，400和Ra=8.25×106，假設(shè)前照燈內(nèi)的氣流為層流。因此，計(jì)算出的特征速度為0.64 m/sec。在前照燈高度方向上，因?yàn)闅饬魇亲匀粚?duì)流。然而，實(shí)際頭燈的PIV測(cè)量已經(jīng)表明實(shí)際頭燈中的最大氣流速度僅為0.2m/sec。因?yàn)闅饬魇艿桨惭b在頭燈體上的空氣過(guò)濾器的限制。

表1  無(wú)量綱參數(shù)

表2  空氣特性3.CFD仿真由于計(jì)算機(jī)的顯著進(jìn)步和模擬算法的建立，最近的CFD能力已接近實(shí)用水平?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，將有可能在考慮冷介質(zhì)輻射和燈中使用的各種材料之間的溫度分布的同時(shí)模擬燈內(nèi)部空氣的自然對(duì)流。事實(shí)上，我們已經(jīng)在嘗試CFD模擬，其中包括冷介質(zhì)輻射和燈材料因素。然而，在本研究中，我們采用溫度作為邊界條件，通過(guò)使用骨架模型對(duì)前照燈內(nèi)部的空氣流場(chǎng)進(jìn)行CFD預(yù)測(cè)。將CFD預(yù)測(cè)結(jié)果與PIV測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，從而能夠確定最合適的總傳熱比值。結(jié)果，邊界條件的重要性，特別是總傳熱比，變得明顯。為了進(jìn)行燈內(nèi)的熱傳遞特性的CFD模擬，使用了以下的數(shù)學(xué)式。方程（1）是表示在空氣流場(chǎng)中微元的轉(zhuǎn)移質(zhì)量的平衡的連續(xù)方程。在本模擬中，空氣流場(chǎng)是穩(wěn)定的，因此方程（1）左側(cè)的第一項(xiàng)為零。

方程（2）是表示空氣流場(chǎng)中的微元件的動(dòng)量平衡的運(yùn)動(dòng)方程。在該方程中，空氣流場(chǎng)也是穩(wěn)定的，因此左側(cè)的第一項(xiàng)為零。這意味著左側(cè)的第二項(xiàng)中的慣性力與右側(cè)的第一項(xiàng)中的壓力和右側(cè)第二項(xiàng)中的外力平衡。

式（3）是表示空氣流場(chǎng)中的微元的焓的平衡的式。由于在本CFD模擬中采用溫度作為邊界條件，因此在能量方程中處理溫度將更方便。然而，在本模擬中，平衡方程以焓的形式表示，并且使用方程（4）將焓轉(zhuǎn)換為溫度。

方程（5）是流體密度的狀態(tài)方程。
 

將這五個(gè)方程離散到微元仿真網(wǎng)格上，計(jì)算了微元單元上的速度和溫度。4.仿真網(wǎng)格公式化對(duì)于仿真網(wǎng)格的公式化，我們采用了CATIA和ICEM CFD。圖4-1顯示了CATIA生成的線框模型。圖4-2顯示了在線框上生成的面部模型。然后，在生成一個(gè)體積之后，我們通過(guò)ICEM生成一個(gè)網(wǎng)格，如圖4-3所示。這個(gè)網(wǎng)格由四個(gè)元素組成，總共有大約700，000個(gè)單元。

圖4-1  線框模型

圖4-2  面部模型

圖4-3  ICEM網(wǎng)格模型5.邊界條件
CFD仿真使用了三種邊界條件：（1）入口處的空氣速度，（2）反射器和亞克力外殼內(nèi)的其他部件的溫度，以及（3）亞克力表面上的總傳熱比。對(duì)于條件（1），安裝在骨架模型上的圓柱形管道（長(zhǎng)100 mm，內(nèi)徑15 mm）入口處的速度設(shè)置為0.01m/ s（通過(guò)PIV測(cè)量）。如圖5-1和5-2所示，燈泡、延伸導(dǎo)線和反射器的溫度通過(guò)熱觀察儀和熱電偶測(cè)量。圖5-3中按實(shí)體列出了實(shí)測(cè)溫度。圖5-4也根據(jù)實(shí)體顯示了亞克力表面上的總傳熱比，假設(shè)露天溫度為23°C。在本模擬中，將溫度作為邊界條件，賦予包含在丙烯酸外殼內(nèi)的每個(gè)部件。然而，在丙烯酸表面上，通過(guò)丙烯酸橫截面的熱量根據(jù)等式（6）給出。

換句話說(shuō)，所有的丙烯酸部分都給定了熱傳遞邊界條件。通常，公式（6）中的“h”（總熱傳輸比）是由諸如材料表面溫度、流動(dòng)構(gòu)造（層流或湍流）以及材料和流體的接觸角等因素確定的值。盡管通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得“h”的值是重要的，但是該任務(wù)是耗時(shí)的。因此，在本研究中，我們假設(shè)通過(guò)采用PIV測(cè)量在亞克力表面上獲得的速度場(chǎng)值作為“h”值，可以模擬骨架內(nèi)部的空氣流場(chǎng)。

圖5-1  亞克力表面的溫度

圖5-2  反射器背面的溫度

圖5-3  溫度的整體分布情況

圖5-4  熱傳導(dǎo)率的整體情況6.仿真結(jié)果與PIV測(cè)量結(jié)果對(duì)比CFD仿真結(jié)果見(jiàn)圖6 - 1、6 - 3、7 - 1、7 - 3，PIV測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6 - 2、7 - 2。圖6 - 1、6 - 2和6 - 3所示的結(jié)果是從丙烯酸外殼前板后2mm的位置獲得的。圖7 - 1、7 - 2和7 - 3中所示的結(jié)果是在重力方向上從丙烯酸外殼上板向下2mm的平面。長(zhǎng)陣列矢量表示高速度，短陣列矢量表示低速度。根據(jù)圖6 - 1所示的模擬結(jié)果，被點(diǎn)亮的燈泡加熱的空氣從反射器流出，與亞克力外殼前板的上部碰撞，然后分成左右兩股（見(jiàn)圖中A1和A2）。分流氣流沿亞克力外殼的上板（圖7 - 1中的B1和B2）移動(dòng)，并在靠近前亞克力板的兩端（圖6 - 1中的C1和C2）形成下降氣流。此外，模擬結(jié)果表明，在區(qū)域D中流速變得非常低，在區(qū)域E中存在空氣匯聚，并且在區(qū)域F中發(fā)現(xiàn)大的停滯。PIV測(cè)量結(jié)果如圖6 - 2所示。這個(gè)數(shù)字顯示領(lǐng)域的氣流E和F不同于圖6 - 1中,發(fā)現(xiàn)的最顯著區(qū)別在空氣下沉的位置區(qū)域g .此外,雖然空氣源區(qū)域如圖7 - 2 H的存在,沒(méi)有這樣的來(lái)源如圖7 - 1所示。這些矛盾是歸因于兩個(gè)因素。首先,如圖5 - 3明顯,我們采用的溫度邊界條件是不夠嚴(yán)格。第二,如圖5 - 4明顯,丙烯表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是不夠嚴(yán)格。圖6-3和圖7-3為利用亞克力表面總傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，消除上述不一致性后得到的模擬結(jié)果;該數(shù)據(jù)庫(kù)是根據(jù)PIV測(cè)量建立的。這些結(jié)果主要體現(xiàn)了三個(gè)方面的改進(jìn)：（a）D區(qū)氣流與圖6-2一致，（b）H區(qū)氣流來(lái)源與圖7-2一致，（c）出風(fēng)口位置G與圖6-2相似。為了在空氣散熱器位置實(shí)現(xiàn)更大的一致性，必須在PIV測(cè)量和CFD仿真中考慮前照燈內(nèi)部的輻射。7.結(jié)論在對(duì)前照燈內(nèi)部熱氣流特性進(jìn)行仿真分析之前，先制作骨架模型，然后進(jìn)行CFD仿真和PIV測(cè)量。經(jīng)過(guò)兩個(gè)準(zhǔn)備過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)前照燈內(nèi)部空氣流場(chǎng)的CFD模擬分析。(1)測(cè)量骨架模型內(nèi)燈泡、反射器、延伸件和其他零件的表面溫度，然后將測(cè)量結(jié)果用作溫度邊界條件中的結(jié)果。(2)利用PIV測(cè)得的速度場(chǎng)估算壓克力表面的總傳熱比。我們計(jì)劃通過(guò)考慮頭燈內(nèi)部的輻射來(lái)進(jìn)一步提高丙烯表面上空氣流場(chǎng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。在未來(lái)的工作中，我們打算建立一個(gè)新的模擬方法，納入塑料零件內(nèi)部的傳熱因素。

圖6  分析部位（前部）

圖6-1  CFD結(jié)果

圖6-2  PIV測(cè)量結(jié)果

圖6-3  PIV結(jié)果校正CFD結(jié)果

圖7  分析部位（上部）

圖7  CFD結(jié)果

圖7-2  PIV測(cè)量結(jié)果

圖7-3  PIV結(jié)果校正CFD結(jié)果


文獻(xiàn)來(lái)源：Touichirou Shiozawa；Akio Nakanishi；Tatsuya Ozawa and Toshiou Oki；Norihisa Tsuda；Tetsuo Saga and Toshio Kobayashi . Thermal Air Flow Analysis of an Automotive Headlamp – The PIV Measurement and the CFD Simulation by Using a Skeleton Model [C].SAE Technical Papers, 2000