0 前言

    當(dāng)駕駛室擋風(fēng)玻璃溫度低于水蒸汽的凝固點(diǎn)時(shí)，其外側(cè)會(huì)形成霜，霜的存在會(huì)嚴(yán)重影響駕駛員的視野。因此，車輛除霜性能是否達(dá)到相關(guān)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求是衡量整車性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)除掉一定范圍內(nèi)的積霜。要達(dá)到這項(xiàng)要求需要保證從出風(fēng)口噴出的暖風(fēng)能較均勻地分布在擋風(fēng)玻璃上。目前對(duì)于車輛除霜性能的研究主要集中在小轎車和輕型客車方面。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)重型車的需求日益增大，對(duì)于重型車除霜性能的研究也迫在眉睫。本文運(yùn)用STAR-CCM+流體仿真軟件對(duì)某重型車駕駛室擋風(fēng)玻璃的除霜過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到該重型車的除霜性能，避免了由于傳統(tǒng)試驗(yàn)所造成的浪費(fèi)，為重型車的除霜系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

    除霜分析是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)計(jì)算過(guò)程，其控制方程為N-S(Navier-Stokes)方程：

    式(1)中，ρ是密度；φ是通用變量；Γ是廣義擴(kuò)散系數(shù)；S是廣義源項(xiàng)。

    除霜過(guò)程中駕駛室擋風(fēng)玻璃受到熱空氣的沖擊，將熱量傳遞到玻璃外側(cè)的霜層上。當(dāng)霜層上的熱流能量超出了霜層初始的能量時(shí)，霜層開(kāi)始融化。其能量方程為：

    式(2)中，ρ是密度；H是焓；v是流體速度；S是廣義源項(xiàng)。

    霜層初始能量的計(jì)算公式為：

    式(3)中，Eini是霜層初始能量；ρi是霜層密度；t是霜層厚度；A是邊界面積；Cp是比熱容；T是溫度；L是潛熱。

    邊界熱流的計(jì)算公式為：

    式(4)中，Cemp是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；qw是邊界熱流。

2 物理模型和網(wǎng)格劃分

    除霜分析的計(jì)算模型主要包括駕駛室、玻璃和霜層等。本文最大可能的保留駕駛室內(nèi)部特征，并對(duì)出風(fēng)口和玻璃進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，如圖1所示。

圖1 出風(fēng)口和玻璃處網(wǎng)格劃分

    本文使用Hypermesh軟件劃分面網(wǎng)格。將面網(wǎng)格輸出為stl文件后導(dǎo)入到STAR-CCM+中生成體網(wǎng)格，同時(shí)在玻璃表面外發(fā)現(xiàn)防線拉伸5層共6mm的體單元，霜層厚度為0.5mm。本文中體網(wǎng)格數(shù)量約為500萬(wàn)，局部網(wǎng)格形式如圖2所示。

圖2 模型局部網(wǎng)格

    本文中定義駕駛室內(nèi)初始溫度為255K，定義入口邊界為速度入口(Velocity Inlet)，速度大小為6.6m/s。入口處空氣溫度隨時(shí)間變化，變化趨勢(shì)如圖3所示。定義出口邊界為分離流動(dòng)(Flow-splitOutlet)，分離比率為1。定義壁面為光滑固壁。

圖3 入口處空氣溫度變化曲線

3 分析結(jié)果

    通過(guò)計(jì)算得到擋風(fēng)玻璃表面速度云圖如圖4所示，從圖中可以看出擋風(fēng)玻璃上風(fēng)速分布比較均勻，B區(qū)上邊緣處風(fēng)速處于3m/s以上，能較好地滿足除霜的需求。

圖4 擋風(fēng)玻璃上速度云圖

    圖5給出了除霜過(guò)程中整個(gè)駕駛室內(nèi)部的流線。從圖中可以看出，熱空氣由除霜出風(fēng)口直接噴射于擋風(fēng)玻璃表面，且較為均勻地覆蓋了整個(gè)擋風(fēng)玻璃。由于駕駛室內(nèi)部流速普遍較低，不會(huì)對(duì)乘員造成不舒適感。

圖5 駕駛室內(nèi)部流線

    圖6得出了20min、25min和40min不同時(shí)間點(diǎn)的除霜效果，深藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗獙雍穸葹?的區(qū)域，表明該處已完成除霜。

圖6 不同時(shí)刻(t)霜層厚度分布圖

    GB 11555-94要求除霜開(kāi)始后20min時(shí)，至少應(yīng)將A區(qū)的80%面積的霜除凈；25min時(shí)，至少應(yīng)將A＇區(qū)的80%面積的霜除凈；40min時(shí)，至少應(yīng)將B區(qū)的95%面積的霜除凈。由圖6可以看出，本文除霜效果較為理想，在25min時(shí)A區(qū)和A＇區(qū)霜層已除盡，B區(qū)除霜面積已達(dá)到90%以上，在30min時(shí)B區(qū)除霜面積己超過(guò)95%，完全滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求要求。

4 結(jié)論

    (1)本文通過(guò)對(duì)某重型車駕駛室擋風(fēng)玻璃進(jìn)行除霜分析，得出出風(fēng)口噴射出的暖風(fēng)均勻覆蓋于擋風(fēng)玻璃表面，且駕駛室內(nèi)部風(fēng)速較低，不會(huì)令乘員產(chǎn)生不適。

    (2)依相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)除霜效果監(jiān)測(cè)，20min時(shí)除盡了A區(qū)80%面積的霜，25min時(shí)除盡了A＇區(qū)的80%面積的霜，30min時(shí)B區(qū)除霜面積達(dá)到95%以上，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

    (3)數(shù)值模擬整個(gè)除霜過(guò)程，避免了試驗(yàn)方法周期長(zhǎng)費(fèi)用高的不足，為重型車的除霜系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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本文標(biāo)題：基于STAR-CCM+的某重型車擋風(fēng)玻璃除霜分析

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