基于cfd的汽車除霜系統(tǒng)數(shù)值模擬

基于cfd的汽車除霜系統(tǒng)數(shù)值模擬

計算機(jī)軟件模擬無霜汽車玻璃的性能是該系統(tǒng)的主要功能之一，也是國家法律法規(guī)規(guī)定的強(qiáng)制性檢驗指標(biāo)之一。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難使用簡單的公式來解釋實際流場的過程，并且獲得的數(shù)據(jù)數(shù)量有限。為了汽車新車型的設(shè)計,可考慮采用數(shù)值計算的結(jié)果預(yù)測氣流速度分布和融霜/冰效果。國內(nèi)關(guān)于汽車空調(diào)除霜性能數(shù)值模擬方面的文獻(xiàn)較少,國外對汽車除霜性能的研究主要集中在解決工程實際問題。文獻(xiàn)介紹了等溫流場求解的計算流體動力學(xué)(computationfluiddynanlics,CFD)模擬方法。文獻(xiàn)建立了三維擋風(fēng)玻璃模型,使用CFD軟件STAR-CD通過求解非線性焓-溫度關(guān)系式分析擋風(fēng)玻璃上水/冰層的融化。文獻(xiàn)采用兩步法,即等溫流場和能量方程分開求解的方法對擋風(fēng)玻璃除霜性能進(jìn)行模擬。文獻(xiàn)介紹了客車流場模擬的理論模型,并通過試驗揭示了自然對流對車室內(nèi)流場的影響,通過流場內(nèi)渦的移動來解釋溫度場的分布。文獻(xiàn)在模擬除霜性能時通過測量汽車模型的壓降來獲得數(shù)值計算的邊界條件。文獻(xiàn)介紹了一種參數(shù)化汽車建模器,設(shè)置車室與流場有關(guān)的幾何特征模擬除霜性能。這些研究都證明了CFD方法在汽車除霜性能研究方面應(yīng)用的可靠性,但是未對數(shù)值模擬的理論模型在仿真準(zhǔn)確性方面作更深入的研究。CFD提供了運動控制方程(質(zhì)量,動量,能量和湍流模型封閉方程)的數(shù)值求解來確定所有的流場參數(shù),通過計算機(jī)的運算可較快地獲得精確的計算結(jié)果。汽車除霜系統(tǒng)的數(shù)值模擬可通過壁面噴射氣流來建立其流動特征。1防霜劑的主要性能除霜器噴嘴是空調(diào)加熱器系統(tǒng)的一部分,主要功能是將HVAC(加熱通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng))的部分熱氣流在擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)表面產(chǎn)生噴射氣流,通過傳熱融化積在擋風(fēng)玻璃外表面的霜/冰層。同時也可循環(huán)擋風(fēng)玻璃附近的空氣,避免擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面溫度比車室內(nèi)空氣的露點溫度低而發(fā)生結(jié)霧現(xiàn)象。對除霜系統(tǒng)的主要性能要求是:(1)快速除霜/冰的能力;(2)防止玻璃再次結(jié)霜。擋風(fēng)玻璃除霜的關(guān)鍵因素是除霜器噴嘴的結(jié)構(gòu)及噴射氣流的合適位置和方向。為了達(dá)到除霜性能標(biāo)準(zhǔn),除霜器噴嘴必須能夠產(chǎn)生足夠的氣流,并使氣流吹在整個擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗玻璃的內(nèi)表面,氣流的速度損失最小,并且保證大部分氣流不會從玻璃上脫離;氣流也必須具有足夠的動量,能繼續(xù)吹到擋風(fēng)玻璃的上邊緣,并減少擋風(fēng)玻璃和儀表盤夾角邊緣的空氣再循環(huán)。GB11556—94對汽車風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)性能有明確的規(guī)定,要求在一定時間內(nèi),擋風(fēng)玻璃的某些區(qū)域必須無積霜、積冰和積雪(見表1)。2除霜性能的模擬對于除霜特性的研究表明,車室內(nèi)流場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間比通過擋風(fēng)玻璃的傳熱融冰需要的時間少得多,所以作者主要通過2個步驟進(jìn)行除霜性能模擬。(1)通過對動量方程和連續(xù)性方程(湍流方程)的求解,確定除霜器噴嘴和車室內(nèi)的穩(wěn)態(tài)等溫流場。(2)從流場的穩(wěn)態(tài)求解獲得能量方程的瞬態(tài)求解來計算整個流場區(qū)域的瞬態(tài)溫度場和冰層的融化情況。2.1模型建立與分析除霜數(shù)值模擬的計算模型包括車室、玻璃和霜層。車室包括風(fēng)道、封閉的車室內(nèi)部以及艙內(nèi)較大的附件(如座椅等),如圖1所示。模型中采用四面體網(wǎng)格單元,總共1060257個體網(wǎng)格,并確保網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求。在擋風(fēng)玻璃和除霜器噴嘴附近加密網(wǎng)格,擋風(fēng)玻璃厚度為5mm,5層四面體網(wǎng)格。按照GB11556—94《汽車風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)性能要求》中規(guī)定,將0.044g/cm乘以風(fēng)窗玻璃面積值的水量均勻地噴射到玻璃外表面上,形成均勻的冰層,從而計算得到模型的冰層厚度為2mm,3層四面體網(wǎng)格。并在模型里確定玻璃層和冰層的物性。圖2～圖4分別為車室和除霜器及其噴嘴處的面網(wǎng)格。模型的CFD計算中將三維穩(wěn)態(tài)流場當(dāng)作黏性、不可壓縮、牛頓性的(流體黏性阻力與剪切率成正比)、各向同性的均勻流體。設(shè)置邊界條件,除霜器噴嘴入口氣流速度均勻,車室后部出口壓力為定大氣壓(P=0表壓)。假設(shè)噴嘴入口和車室出口的流線是垂直的。對于流場的模擬,這個假設(shè)是非常適合的。2.2湍流模型及風(fēng)壓在穩(wěn)態(tài)流動模型中流體為空氣,采用常溫293K(20℃)時的物性。除霜器噴嘴和車室的壁面是非剪切邊界?？紤]到湍流的影響,采用帶有壁面函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型(式(1)～式(3)),k為湍流動能,ε為湍流動能耗散率,湍流度為5%。采用一階離散方法來求解流場方程。求解收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差<10-3。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的輸運方程為??t(ρk)+??xi(ρεui)=??xi[(μ+μtσk)?k?xj]+Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk(1)??t(ρk)+??xi(ρεui)=??xi[(μ+μtσk)?k?xj]+Gk+Gb?ρε?YM+Sk(1)??t(ρε)+??xj(ρεui)=??xj[(μ+μtσε)?ε?xj]+C1εεk(Gk+C3ε)-C2ερε2k+Sε(2)??t(ρε)+??xj(ρεui)=??xj[(μ+μtσε)?ε?xj]+C1εεk(Gk+C3ε)?C2ερε2k+Sε(2)式中Gk為由平均速度矢量得到的湍流動能;Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能;YM為可壓縮湍流引起的可變膨脹對全局耗散率的作用,由于文中流場為不可壓湍流模型,所以該式中YM=0;σk、σε分別為k和ε的湍流普朗克數(shù),σk=1.0,σε=1.3;Sk、Sε為用戶自定義項;ρ為密度;μ為黏性系數(shù);xi、xj分別表示x的i向量和j向量;ui為i向量的氣流速度;C1ε=1.44;C2ε=1.92;C3ε=1.86;μt為湍流黏性系數(shù),利用k和ε可計算湍流黏性。μt=ρCμk2ε(3)μt=ρCμk2ε(3)式中Cμ=0.09。2.3低溫tliquperficing模型用焓法求解擋風(fēng)玻璃融冰的瞬態(tài)問題。方程的循環(huán)求解可獲得擋風(fēng)玻璃的溫度和熱流量,即從車室內(nèi)傳到冰層的熱流量。在每一步長內(nèi),計算導(dǎo)熱、對流和輻射(通?？梢院雎?總的能量,并與冰層開始融化需要的融解熱進(jìn)行比較。假設(shè)當(dāng)總能量與融解熱相同時,冰層開始融化。當(dāng)網(wǎng)格單元內(nèi)的總能量足以使所有冰融化為水后,就認(rèn)為網(wǎng)格單元不存在冰。把冰水固液混合物作為一種流體來處理,根據(jù)固態(tài)溫度Tsolidus和液態(tài)溫度Tliquidus定義液相分?jǐn)?shù)β來判定每個單元上的相變狀況,并在文中作了簡化。在相變過程中,認(rèn)為霜層的物性為溫度的分段線性函數(shù);而在相變過程中,由于融化的水運動較慢,所以直接用靜止的冰水混合物來近似模擬。能量方程收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差<10-6。作者是通過引入除霜器噴嘴出口氣流的加熱曲線傳熱來求解溫度場的能量方程式(4)～式(8),從而獲得瞬態(tài)溫度場以及擋風(fēng)玻璃上的液態(tài)部分。能量方程為H=h+ΔH(4)h=href+∫ΤΤrefTTrefcpdT(5)式中href為參考焓;Tref為參考溫度;ΔH為潛熱焓;cp為定壓比熱。液相分?jǐn)?shù)β定義為{若Τ＜Τsolidus,β=0若Τ＜Τliquidus,β=1若Τsolidus＜Τ＜Τliquidus,β=Τ-ΤsolidusΤliquidus-Τsolidus(6)???????若T＜Tsolidus,β=0若T＜Tliquidus,β=1若Tsolidus＜T＜Tliquidus,β=T?TsolidusTliquidus?Tsolidus(6)潛熱焓為ΔH=βL(7)式中L為物質(zhì)潛熱。對于除霜模型問題,能量方程為??t(ρΗ)+??(ρ→υΗ)=??(k?Τ)+S(8)式中H為焓;ρ為密度;→υ為流體速度;S為源項。3計算結(jié)果和試驗驗證3.1車室內(nèi)的氣流場在靠近擋風(fēng)玻璃底部處的儀表板上裝有狹槽形除霜器噴嘴,向擋風(fēng)玻璃側(cè)噴射氣流,儀表盤上裝有4個除霜器出風(fēng)口,其中2個出風(fēng)口位于儀表板的中間,另外2個分別位于儀表板的左右側(cè)面,均靠近車門。出風(fēng)口方向使氣流吹向前排座位以及前排座位之間的空間,對應(yīng)于乘客的胸部位置。除霜器格柵方向、格柵或翅片的形狀都會影響擋風(fēng)玻璃除霜性能。圖5為車室內(nèi)流場的跡線圖。選擇除霜模式時,從除霜器格柵流出的大量氣流涌入車室,這就作為主要動力驅(qū)動氣流在車室內(nèi)的流動。除霜器噴嘴內(nèi)的流場跡線和速度矢量圖如圖6和圖7所示。圖6為噴嘴流出的氣流的大致方向,并擴(kuò)散到車室內(nèi)。車室內(nèi)部的幾何形狀和阻礙物(座椅等)影響車室內(nèi)的氣流的形狀和大小特征。從除霜器噴嘴噴出氣流流到擋風(fēng)玻璃的中心處,又直接流到天花板以及在前座之間沖擊到后座,從而導(dǎo)致了停滯區(qū)域。這個停滯區(qū)域中的速度最小,壓力最小。從這個滯止區(qū)域,氣流快速輻射,通過流動沿其內(nèi)部壁面返回到車室的前部。擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面氣流速度如圖8所示。從圖8可看到擋風(fēng)玻璃下部的氣流速度和駕駛員側(cè)的氣流速度較大。最大的氣流速度是在近噴嘴處,約為2.67m/s,并沿著擋風(fēng)玻璃的中上部減少到1.34m/s。當(dāng)氣流沿著擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面流動時,氣流速度減小。在靠近噴嘴端部的地方,氣流具有從側(cè)面偏離的趨勢。當(dāng)氣流離開擋風(fēng)玻璃流到車室內(nèi)時,速度逐漸減小。沖擊到擋風(fēng)玻璃上的高速氣流使擋風(fēng)玻璃下部的氣流高度紊流,與玻璃外表面的高溫區(qū)域相對應(yīng),這是由于湍流增加了內(nèi)表面的有效導(dǎo)熱率。所以在擋風(fēng)玻璃這一區(qū)域首先除霜,然后除霜區(qū)域沿著擋風(fēng)玻璃上升。圖9為3.5、10、15和20min各時刻的擋風(fēng)玻璃外表面瞬態(tài)溫度分布圖,它顯示了外表面溫度的增加,擋風(fēng)玻璃下部的溫度比上部高。圖10為3.5、10、15和20min各時刻前擋風(fēng)玻璃霜層外表面的融霜液態(tài)分?jǐn)?shù)分布圖。3.2cfd模擬試驗擋風(fēng)玻璃除霜性能試驗通過按照GB11556—94要求的環(huán)模試驗獲得,如圖11所示。首先開始除霜的區(qū)域在擋風(fēng)玻璃靠近噴嘴處,并且靠近駕駛員側(cè)。隨著時間的增加,除霜區(qū)域慢慢地開始擴(kuò)大。通過CFD模擬的除霜瞬態(tài)結(jié)果和試驗結(jié)果的比較可知,數(shù)值計算與試驗結(jié)果總體比較接近。除霜的瞬態(tài)CFD模擬結(jié)果顯示,3.5min時刻在擋風(fēng)玻璃的下部靠駕駛員側(cè)首先開始融霜,與試驗結(jié)果顯示的融霜區(qū)域相近,CFD模擬結(jié)果比試驗結(jié)果顯示的融霜效果和時間快。數(shù)值模擬和試驗結(jié)果的差異是因為模型簡化了HVAC部分,瞬態(tài)計算時是通過在除霜器噴嘴入口處加上HVAC理論加熱曲線作為邊界條件,這與實際試驗時HVAC運行的加熱過程會有一定偏差。所以在進(jìn)行除霜數(shù)值模擬時,可考慮增加HVAC模塊,模型變得更復(fù)雜,模型的網(wǎng)格數(shù)量及計算時間也會相應(yīng)增加。4模型優(yōu)化方法(1)作者采用CFD方法通過求解等溫流場和瞬態(tài)能量方程來確定氣流速度場和擋風(fēng)玻璃冰層的瞬態(tài)融化效果。文