風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能分析

風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能分析

近年來(lái)，一些國(guó)外科學(xué)家利用計(jì)算力學(xué)來(lái)計(jì)算車(chē)輛風(fēng)窗玻璃的價(jià)值，加強(qiáng)了該領(lǐng)域的研究工作。BasharS.AbdulNour利用商業(yè)化計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件Fluent對(duì)汽車(chē)除霜器流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為CFD模擬是研究車(chē)輛風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)流場(chǎng)特性的一種有效手段。Brewster等用焓法通過(guò)CFD預(yù)測(cè)擋風(fēng)玻璃上的除冰圖案。本文針對(duì)某車(chē)型車(chē)輛風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)試驗(yàn)情況,利用Fluent對(duì)該車(chē)的試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬重現(xiàn),計(jì)算除霜風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)量、風(fēng)道和客艙內(nèi)的流線(xiàn)分布、前擋風(fēng)玻璃上的速度分布圖和瞬態(tài)的除霜過(guò)程,找出除霜系統(tǒng)性能差的原因,并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),保證該車(chē)的除霜性能滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。對(duì)某新開(kāi)發(fā)車(chē)型進(jìn)行了軟工裝車(chē)的除霜預(yù)試驗(yàn),試驗(yàn)按照國(guó)標(biāo)要求在-30℃工況下進(jìn)行,試驗(yàn)中記錄了暖風(fēng)機(jī)出口平均風(fēng)速、暖風(fēng)機(jī)出口溫度(圖1)和霜層融化過(guò)程(圖2,圖中的數(shù)字和曲線(xiàn)表示在不同時(shí)間時(shí)融霜區(qū)的位置,即數(shù)字代表時(shí)間,曲線(xiàn)表示融霜區(qū)位置。圖7～10所示區(qū)域劃分大體與此圖類(lèi)似,不再標(biāo)注)。1除霜數(shù)值模擬的計(jì)算模型利用Fluent進(jìn)行數(shù)值分析的流程如圖3所示。分析圖2發(fā)現(xiàn),該車(chē)的除霜性能在20、25、40min時(shí)刻均達(dá)不到國(guó)標(biāo)要求。除霜數(shù)值模擬的計(jì)算模型包括車(chē)室(圖4)、玻璃和霜層。車(chē)室包括風(fēng)道(圖5)、封閉的車(chē)室內(nèi)部以及艙內(nèi)較大的附件(如座椅等)。整個(gè)網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格,在玻璃內(nèi)側(cè)生成邊界層,通過(guò)拉伸生成玻璃和霜層網(wǎng)格(圖6)。2管口的流場(chǎng)分布數(shù)值模擬主要分兩個(gè)過(guò)程:1)穩(wěn)態(tài)的等溫空氣動(dòng)力學(xué)分析,主要考查風(fēng)管?chē)娮斓臍饬鞣较颉⑺俣?、玻璃上的速度分布?2)瞬態(tài)的除霜模擬,通過(guò)從流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)求解獲得能量方程的瞬態(tài)求解來(lái)計(jì)算整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和冰層的融化情況。2.1在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型中流體為空氣,采用常溫293K(20℃)時(shí)的物性。用二階離散方法來(lái)求解流場(chǎng)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(yùn)方程為??t(ρk)+??xi(ρkui)=??xj[(μ+μtσk)?k?xj]+Gk+Gb?ρε?YM+Sk;(1)??t(ρk)+??xi(ρkui)=??xj[(μ+μtσk)?k?xj]+Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk;(1)??t(ρε)+??xi(ρεui)=??xj[(μ+μtσε)?ε?xj]+C1εεk(Gk+C3εGb)?C2ερε2k+Sε;(2)??t(ρε)+??xi(ρεui)=??xj[(μ+μtσε)?ε?xj]+C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2k+Sε;(2)μt=ρCμk2εμt=ρCμk2ε。(3)式中:Gk為由平均速度矢量得到的湍流動(dòng)能;Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM為可壓縮湍流引起的可變膨脹對(duì)全局耗散率的作用,由于本文研究流場(chǎng)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),模型常量σk=1.0,σε=1.3;Sk、Sε為用戶(hù)自定義項(xiàng);ρ為密度;ui為氣流速度;常量系數(shù)C1ε=1.4;C2ε=1.92;C3ε=1.86;μt為湍流粘性系數(shù),其中Cμ=0.09。(1)邊境條件模型使用除霜風(fēng)道的進(jìn)口作為平均速度入口,平均速度由試驗(yàn)測(cè)出(3m/s),取模型背部為壓力出口邊界條件,背壓為0。(2)噴嘴流量分析為了達(dá)到除霜性能標(biāo)準(zhǔn),除霜器噴嘴處的氣流必須具備以下條件:①?lài)娮斓牧髁糠峙錆M(mǎn)足要求;②氣流吹在整個(gè)擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗玻璃的內(nèi)表面,并保證大部分氣流不會(huì)從玻璃上脫離;③氣流必須具有足夠的動(dòng)量,能繼續(xù)吹到擋風(fēng)玻璃的上邊緣;④減少擋風(fēng)玻璃和儀表盤(pán)夾角邊緣的空氣再循環(huán)。計(jì)算過(guò)程中對(duì)風(fēng)管4個(gè)噴嘴處的質(zhì)量流量進(jìn)行監(jiān)測(cè),噴嘴的質(zhì)量流量分配如表1。從噴嘴的流量分配數(shù)據(jù)來(lái)看,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),該車(chē)風(fēng)道分配的流量較為合理,流量分配能夠滿(mǎn)足前擋風(fēng)玻璃的除霜性能要求。分析圖7a可以看出:該風(fēng)道使噴嘴到前擋風(fēng)玻璃上的流線(xiàn)分布較為合理,滿(mǎn)足條件②,該風(fēng)道也能滿(mǎn)足條件④;圖7b速度分布表明:前擋風(fēng)玻璃A區(qū)和A′區(qū)的速度分布大多在1m/s以下,A區(qū)和A′區(qū)中上部分氣流速度甚至低于0.5m/s,就是說(shuō)氣流沒(méi)有足夠的動(dòng)量,不能繼續(xù)吹到A區(qū)和A′區(qū)的中上部分。在圖2中A區(qū)和A′區(qū)的中上部分霜層基本沒(méi)有融化,從25～40min過(guò)程中隨溫度逐漸升高,理論上霜層的融化速度應(yīng)該加快,即間隔相同時(shí)間內(nèi)霜層融化位置曲線(xiàn)間距應(yīng)該逐漸增大,但試驗(yàn)情況卻恰恰相反。由此,初步推測(cè)噴嘴氣流沒(méi)有具備足夠的動(dòng)量是導(dǎo)致該車(chē)除霜試驗(yàn)失敗的主要因素。2.2將霜層國(guó)家火力器作熱壓監(jiān)測(cè),分析原理說(shuō)明環(huán)境模型用焓法求解擋風(fēng)玻璃融冰的瞬態(tài)問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)編譯入口溫度的曲線(xiàn)代入求解,采用二階離散方法來(lái)求解能量方程,能量收斂的殘差標(biāo)準(zhǔn)<10-6,使用intialize→patch初始化時(shí)在軟件中設(shè)置工作氣流溫度降到-30℃以下,試驗(yàn)中環(huán)境溫度為-30±3℃,分析的環(huán)境溫度值取-30℃。對(duì)于除霜模型問(wèn)題,能量方程為??t(ρH)+??(ρvH)=??(k?T)+S??t(ρΗ)+??(ρvΗ)=??(k?Τ)+S。(4)式中:H為焓;ρ為密度;v為流體速度;S為源項(xiàng)。求解過(guò)程中設(shè)定霜層融化動(dòng)畫(huà),每20s保存一次圖片,圖片的視角方向與駕駛員的視角方向相同,各個(gè)典型時(shí)刻的霜層融化比例如圖8所示,對(duì)比前擋風(fēng)玻璃霜層融化過(guò)程曲線(xiàn),可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬的霜層開(kāi)始融化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和融化區(qū)域均與圖2吻合;1200、1500、2400s各時(shí)間段霜層的融化區(qū)域與形狀也與試驗(yàn)較為吻合。3前日照時(shí)數(shù)內(nèi)氣流速度分布為了解決噴嘴氣流不具備足夠動(dòng)量的問(wèn)題,在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上加大除霜風(fēng)道入口速度來(lái)提高噴嘴處氣流的動(dòng)量。除霜風(fēng)管的入口速度由原來(lái)的3m/s提高為6m/s,再次對(duì)此模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的模擬。從前擋風(fēng)玻璃的速度分布(圖9)可以看出,前擋風(fēng)玻璃A區(qū)和A′區(qū)的速度分布較為均勻,A區(qū)和A′區(qū)中下部分氣流速度在3～4m/s,A區(qū)和A′區(qū)中上部分的氣流在1.5～2.5m/s,氣流具有足夠的動(dòng)量吹到前擋風(fēng)玻璃的上緣。從瞬態(tài)的除霜過(guò)程模擬中可以看到:900s和1200s的霜層融化區(qū)域完全滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)的要求。通過(guò)以上分析,建議加大該車(chē)除霜風(fēng)道入口的氣流速度。由于空調(diào)系統(tǒng)總布置的局限性,要提高除霜風(fēng)道的入口速度只能加大鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量,更換大流量的鼓風(fēng)機(jī),使入口速度為6m/s,再次進(jìn)行除霜試驗(yàn)(圖10),通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):兩者霜層融化過(guò)程雖不完全一致,但除霜的整體區(qū)域十分相近,除霜面積相差不大,試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬較為接近,車(chē)輛風(fēng)窗玻璃區(qū)域在25min基本實(shí)現(xiàn)了除霜,該車(chē)的除霜性能達(dá)到了國(guó)標(biāo)要求。4測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果(1)在噴嘴的結(jié)構(gòu)、噴射氣流的位置與方向達(dá)到要求后,除霜噴嘴氣流