汽车空调除霜风道的数值优化

建筑节能与空调 汽车空调除霜风道的数值优化 张晓兰,陈江平 (上海交通大学 制冷与低温工程研究所,上海 200240) 摘 要:为了解决汽车除霜风道出风不均提高除霜效果, 采用 CFD方法对风道的结构进行优 化,通过两种除霜风道对汽车挡风玻璃除霜性能影响的比较,表明优化后除霜性能有了很大提高。 关键词:汽车空调;除霜风道; 计算流体动力学( CFD) 中图分类号: U463. 83 文献标识码: A 文章编号: 1005-7439( 2007) 02-0110-05 Numerical Optimization Design on Defrost Vent of Automobile Air- Conditioning System ZHANG Xiao-lan, CHENG Jiang-ping ( Shanghai Jiaotong Univesit y, Shanghai 200240) Abstract: CFD methods ar e used to modify the str ucture of automobile defr ost vent fo r its unsat isfacto ry defro st per formance due to uneven a ir distr ibution, and to compare the defro st effects of two different defro st air ducts in order to optimize the defr ost perfo rmance. Keywords: automotiv e air- condition; defrost air duct; computational fluid dynamics( CFD) 汽车挡风玻璃的除霜性能是涉及汽车安全的一 项重要性能指标,改善汽车除霜性能非常重要,前人 已作了种种研究。例如, Fredrik[ 1] 在不影响驾驶员 和乘客的舒适性的情况下, 通过提高挡绝热性改善 风玻璃的除霜和除雾性能, 结果发现窗玻璃经过两 面抛光等一系列处理后热损失减少表面温度提高了 15 e (在低温环境下) ,而且还可以防止霜的形成; 但 是这样做会增加重量和成本, 为了不增加被测重量, 建议用化学回火来提高玻璃的绝热性。H. T aka- da[ 2] 采用 12 V 电加热系统加热挡风玻璃,防止在玻 璃上积霜。AbdulNour, B. S.采用等温流场求解的 CFD除霜模拟方法 [ 3]。Br ew ster, R. A. 等人建立 了三维挡风玻璃模型,使用 CFD软件 STAR- CD, 通过求解非线性焓- 温度关系式 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 挡风玻璃上 水/冰层的融化[ 4]。特别是 Bashar S. AbdulNour 采用两步法,即分开求解等温流场和能量方程的方 法对挡风玻璃除霜性能进行了模拟[ 5] , 但是在分析 除霜风道结构对除霜性能的影响时没有进行进一步 具体比较。 本文准备采用 CFD对两种除霜风道结构的除 霜性能进行数值模拟, 分析比较两种除霜风道对除 霜性能的影响。 1 除霜风道设计要求 汽车挡风玻璃的除霜可以通过加热玻璃或提高 玻璃附近的空气温度, 并提高周围空气的吸水能力。 除霜器除霜性能的设计参数有除霜器喷嘴出口位 置、气流冲撞角度、喷嘴的截面积和几何形状等, 喷 嘴出口的数量还取决于相关空间, 其中最重要的参 数是冲撞角度和气流速度; 优化这两个参数可以确 保从除霜器喷嘴出来的气流沿着挡风玻璃流动, 并 尽可能避免从挡风玻璃上分离出来, 同时保证挡风 玻璃和仪表盘之间的气流循环最少。 目前,优化除霜性能主要采用优化风道结构、有 效利用撞击压力以及尽可能让除霜器喷嘴喷出的热 干空气覆盖窗户的表面等几种方法。为了提高除霜 性能,应控制车室内的气流、除霜器喷嘴的位置和排 风量的密度; 考虑到排风量和夹带空气之间的相互 作用,还可以通过调整侧窗玻璃调风装置叶片和通 风管道角度来优化除霜功能。循环流动会引起能量 损失,损失的多少不仅受除霜风道的影响, 还受吹风 处与挡风玻璃之间的角度的影响; 循环流动还会增 #110# 第 28卷第 2 期 2007 年 4 月 能源技术 ENERGY TECHNOLOGY Vol. 28 No. 2 Apr . 2007 加对气流的干扰,例如当喷射处的气流和挡风玻璃 之间角度增加时,会使挡风玻璃顶部的气流分离出 来影响除霜效果, 并可能影响乘客头部的舒适性。 当汽车在低温环境下运行时, 窗玻璃因外表面风速 升高而传热率升高导致玻璃表面温度下降, 所以汽 车在高速行驶中更易结霜。有效利用撞击压力增加 空气吸入量(空气流量与车速的增量成比例) , 可以 解决气流分离的问题。 利用 CFD软件对汽车挡风玻璃除霜风器的除 霜性能进行模拟过程如图 1所示,模拟工作应尽可 能精确地描述重要物理现象, 探索所需要的几何特 征,并缩短反馈时间。 图 1 除霜性能的 CFD 模拟过程 2 除霜性能的数值模拟 研究对象由车室内部、玻璃和冰层组成: 计算模 型对车室内部的结构作了简化,包括风道、封闭的车 室内部以及座椅(图 2)。 图 2 车室内部结构 冰层厚度按照 GB11556- 94《汽车风窗玻璃除 霜系 统 性 能 要 求》[ 6] 中 的 规 定 计 算, 即 按 0. 044 g / cm2乘以风窗玻璃面积值计算水量,并均匀 地分布在玻璃外表面上形成均匀的冰层。 本文准备首先确定喷嘴和车室内的稳态等温流 场,然后通过这个流场解得能量方程的瞬态温度,最 后计算整个流场区域的瞬态温度场和冰层的融化情 况。等温流场采用不可压缩流体 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 k- E湍流模型: ( 1) 连续方程 5U i 5X i = 0 ( 2) 动量方程 5(U iU j ) 5X j = 5 5X j P Q + 2 3 k + 5 5X j v t 5U j 5X j + 5U j 5X i - 5U j 5t ( 3) k 方程 5k 5t + 5( kU j ) 5X j = 5 5X j v t Rk 5k 5X j + v tS - E ( 4) E方程 5E 5t + 5(EU j ) 5X j = 5 5X j v t RE 5E 5X j + (C1v tS - C2E) E k S = 5U i 5X j + 5U j 5X i 5U i 5X j v t = CLk 2 /E 式中: U i 为平均速度, k 为动能, E为耗散量, Q为密 度, v t 为粘度, C1E= 1. 44, C2E= 1. 92, CL= 0. 09, Rk= 1. 0, RE= 1. 3。 在除霜模型瞬态计算中, 冰水固液混合物被作 为一种流体来处理, 根据固态温度 T s 和液态温度 T l 定义液相分数B,用来判定各单元中相变状况。 h = hr ef + Q T T ref Cp dT 其中: href 为参考焓, T ref 为参考温度, Cp 为定压比 热。 定义液相分数 B: B= 0,若 T < T soli ; B= 1,若 T < T liquidus ; B= T - T solidus T liquidus - T solidus ,若 T solidus < T < T liquidu s 则潜热 $H# = BL。 能量方程可化为: 5 5t (QH ) + à # ( (Qv # H ) ) = à # ( Jà T) + S 其中, H 为焓,Q为密度, v#为流体速度, S为源项。 3 模拟及优化分析 整个模型采用四面体网格, 并在挡风玻璃和除 霜器喷嘴附近进行网格加密, 图 3 和图 4显示了车 室和除霜器喷嘴处的面网格。模型的计算需要设定 空气、玻璃层和冰层的物性,本文在等温流场的计算 #111# 张晓兰等:汽车空调除霜风道的数值优化 图 3 车室和除霜风道网格 图 4 除霜喷嘴处网格 中采用了常温 293 K( 20 e )时的空气物性。 边界条件的设置:喷嘴入口为均匀速度(假设喷 嘴入口和车室出口的流线是垂直的) ,车室后部出口 表压设为 0 Pa。为了模拟除霜性能, 本文将在相变 过程中冰层的物性设为温度的分段线性函数; 由于 融化的水运动较慢, 所以直接用静止的冰水混合物 来近似模拟。另外, 在瞬态计算时,本文通过加热曲 线模拟除霜风道入口气流温度。 除霜风道 A 的结构如图 5所示, 通过数值模拟 可以得到汽车挡风玻璃上的速度分布图(图 6)和风 量分布情况(表 1: 左侧 8. 36% , 左中央 38. 1% , 右 中央53. 5% , 右侧0. 018%) ; 可以看到挡风玻璃右 图 5 除霜风道 A 图 6 挡风玻璃附近速度分布图 表 1 除霜风道 A和 B的风量及其分配 风口位置 风道 A 风道 B风量/ ( kg # s- 1)占总风量/ %风量/ ( kg # s- 1 )占总风量/% 左中央 0. 0501 38. 1 0. 04697 39. 0 右中央 0. 0704 53. 5 0. 05108 42. 5 左侧 0. 0110 8. 36 0. 01135 9. 4 右侧 0. 0000237 0. 018 0. 01092 9. 1 总分量 0. 1315237 100 0. 12032 100 侧的风量明显偏小, 右中央的风量比左中央大了 15. 4%。从速度分布图 6 还可以看到, 由于风道风 量分配的不均,在挡风玻璃左侧出现了一个 V 型区 域的低速区, 并且在右下方区域也出现低速区, 这些 区域吹到风量较少。 从 15 min, 20 m in除霜效果图(图 7)看出(红色 区域液态分数是 1,表明霜层已经完全融化;蓝色区 域液态分数为 0,表明霜层尚未解冻。) , 在相应的区 域的除霜效果不理想, 出现除霜 V 型死区。 ( a) 模型 A: 3. 5 m in 时融霜液态分布 ( b) 模型 B: 4. 5 min 时刻的融霜液态分布 ( c) 模型 A: 6 min 时融霜液态分布 #112# 张晓兰等:汽车空调除霜风道的数值优化 因此,应适当改进风道结构, 把风量分配得均 匀,以便进一步改善除霜性能。改进后的除霜风道 B结构如图 8所示,在风道入口处增加公共风道,利 图 8 除霜风道 B #113# 张晓兰等:汽车空调除霜风道的数值优化 用公共风道将风量分配到两侧风道中。除霜风道 B 的风量分布为左侧 9. 4%, 左中央 39. 0%, 右中央 42. 5% ,右侧 9. 1%, (表 1) , 风量分配的均匀性大为 改善;从图 8挡风玻璃速度分布图可以看出, 模型 B 的V 字型区域明显减小,右下方的低速区也减小了。 从除霜过程对比图(图 9)还可观察到两种模型 除霜性能的计算结果:模型 A和模型 B挡风玻璃上 的冰层分别从 3. 5 m in和 4. 5 min开始融化, 首先 除霜的区域在挡风玻璃靠近喷嘴处并且靠近司机 侧;随着时间的增加,除霜区域慢慢地开始扩大计算 结果还表明:模型 A冰层开始融化的区域呈点状和 块状分布,而模型 B冰层融化区域是连续分布; 随 着时间的增加, 模型 B的融冰速度逐步和模型 A 相 近;但在 15 min 时模型 A 的挡风玻璃上出现了融 冰较慢的明显 V 型区域,而模型 B 则避免产生这一 情况。通过比较还可以看到:改进后的模型 B, 左右 侧风量分布更均匀, 并且在除霜过程中可以避免产 生 V 型区域, 增加了除霜面积; 虽然喷嘴角度没有 作改动,但是通过改变风道入口结构改变喷射气流 的喷射角度和方向, 也可以影响挡风玻璃上气流分 布情况,从而改善了除霜性能。 图 9 挡风玻璃附近速度分布图 4 结 论 采用 CFD方法对两种结构的除霜风道的汽车 挡风玻璃除霜性能进行模拟,结果表明: ( 1) 通过求解等温流场和瞬态能量方程, 可以 确定气流速度场、各风口的风量分布和挡风玻璃冰 层的瞬态融化效果, 计算模型能够较好地模拟汽车 挡风玻璃除霜性能。 ( 2) 改进后的风道左右风口风量分配不均的情 况得到了改善,避免挡风玻璃上 V 型区的产生除霜 效果有了很大提高。 ( 3) 采用 CAD/ CFD方法改变除霜风道结构优 化汽车挡风玻璃的除霜性能是可行的, 可以减少试 验成本和设计时间。 参考文献: [ 1] N Fredrik. 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