基于CFD方法的空调风管除霜性能开发

龚兴旺 冯英 李小华

摘 要：基于空调风管除霜性能开发过程，将总体性能分解到风管性能、玻璃近壁面的速度性能以及考虑温度的除霜性能。使用计算流体力学（CFD）方法，在设计前期通过稳态分析控制风管的性能及速度性能;在设计后期通过瞬态分析评估空调除霜的能力。分析结果表明，空调除霜性能目标从部件到整车均满足要求。

关键词：除霜;风管;数值模拟

中图分类号：U467.3  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）05-62-03

Abstract： Based on HVAC deicing performance development， cascade the total performance to duct， near wall velocity of windshield、deicing performance with temperature performance. Using CFD Method， Control the duct and windshield flow performance by steady simulation in early design， Access the deicing performance by transient simulation in late design. Simulation results shows， performance of deicing performance satisfy the target from system to vehicle.

Keywords： Defrosting; Duct; Numerical simulation

前言

空调系统的除霜能力与汽车的安全性密切相关，受限于实验上整车样车的要求，需要在整车开发前期就能识别出空调系统除霜能力并达成定义的目标要求。应用CFD方法模拟空调风管的除霜能力在过去几年中得到了大量的研究并得到广泛的运用。

应用CFD技术预测除霜的能力，经历了两个发展过程，一种为通过计算稳态过程中玻璃近壁面湍动能k来评估。该思路的核心是k的强度与热通量成正比[1]。一种为对汽车内部流场进行了模拟，定量分析了车内气流的速度、温度、湿度、以及车窗玻璃的温度和空气的传热量等参数对除霜除雾效率和效果[2][3][4]。前一种方法具有计算周期短，对工程要求反应更快的优点，未考虑到除霜过程;后一种方法可以模拟出任意时刻的除霜过程，计算周期较长。

在整车空调除霜性能开发中，首先需要将整车目标分解到系统级的性能要求，然后在系统集成阶段验证整车性能是否满足目标要求。基于此过程并结合CFD方法，在不同阶段，采用不同的分析方式来开发空调系统除霜性能，可以将整体目标分解成除霜管道的压降及分风性能以及玻璃近壁面速度并通过稳态计算来评估，在系统向整车集成的过程中，通过瞬态求解来评估整体性能目标的符合度。

1 性能目标分解

空调风管除霜的过程主要如下：鼓风机带动加热后的空气，通过除霜管路，从仪表台上的出口进入乘员舱，吹响玻璃表面。热空气在玻璃表面进行热交换，从而促成玻璃表面冰层的融化。从除霜机理上分析，除霜性能主要与两个因素相关：良好的气流以及较高的气流温度。

良好的气流主要指两方面。一方面指通过玻璃表面气流的覆盖面，要求除霜出风口有足够的风量，即要求风管管道本体的压降较小。第二个方面要求是指气流和玻璃表面之间有高的热传导，即气流要以尽可能高的速度接近玻璃表面。

较高的气流温度，才能有良好的除霜性能。这部分主要取决于暖通空调和加热器核心的效率，即要求流经加热器核心的冷却剂有较高的温度和流速。

从以上过程来看，正确的气流管理显得尤为重要。如上所述，即需要通过玻璃表面的气流有最大的热传递，从出风口出来的空气直接吹到玻璃表面并附着在尽可能多的玻璃表面区域。

2 除霜性能的目标及评价方法

要获得良好的除雾和除霜性能，在限定了鼓风机性能的条件下，需要尽量去优化压降及速度分布。

2.1 除霜风管压降目标及评价方法

管路压降直接影响到空调管道进入乘员舱的进风量，最终影响到吹响玻璃表面空气的流速。在空调性能开发要求管路的压降处于一个合理的范围内，通过CFD方法建立的除霜管路模型如图1所示。

为了保证前除霜以及测除霜能同时满足，对于两侧出风以及中间出风的流量分配也有要求，如下表1所示。

2.2 玻璃近壁面流速目标及评价方法

良好的除霜效果需要玻璃壁面尽可能高的速度以及覆盖区域，为了模拟挡风玻璃和侧窗的速度分布，必须将HVAC单元的模型与除雾和除霜管道的模型及其各自的格栅结合起来。此外，模型中包含了完整的乘員舱内模型，如图2所示。

为了观察气流覆盖的区域，按照GB11556-1994的要求，在分析模型中显示出相应的除霜法规区域要求，作为后续风速覆盖面积的判断边界，下图3为考虑到前窗及侧窗除霜法规区域要求的流体分析模型。

近壁面流速的目标，需要结合到通过暖芯的温升曲线来确定，本次计算中所使用到的暖芯性能为借用件，其对除霜效果的影响，已通过基础模型的标定，并结合工程经验，将玻璃近壁面的空气流速标定为1m/s。

2.3 瞬时除霜目标及评价方法

瞬时除霜的效果同时受到空气温升、环境温度以及玻璃表面热物性以及霜层厚度的影响。

国标GB11556-1994中对除霜的边界以及除霜的目标以及评估方法有明确的定义，瞬态除霜分析需要在分析模型中按照国标要求施加相应的约束边界，从而评估出除霜效果的符合性。本文利用ANSA软件对某车乘员舱及HVAC风道模型进行网格前处理，star-ccm+软件进行面网格修理和体网格划分。前挡风玻璃和侧窗玻璃法向正向拉伸5层，作为目标霜层，考虑空气为理想气体，进口边界设置为流量入口，出口边界设置为压力出口，入口温度为随时间变化的曲线。

3 分析及结果

3.1 风管压损及流量分配优化

初始方案中央管道形状与侧管道的流量分配不满足目标要求，通过管道截面的优化，增加中央管道的导流叶片，优化中央出风口格栅角度，缩小两侧导流板，優化侧窗除霜管道和出风口格栅，调整管道的走向，流量分配满足目标要求，管道压降也从65Pa降低到了55Pa。除霜管道满足性能要求，如图4所示。

3.2 近壁面速度分布优化

初始方案前挡及侧风窗玻璃的近壁面分布速度云图不满足性能要求，主要为前挡玻璃的目标区域中间有低速度尖角，两侧有较大低速度区，风口出风主要集中在目标区域中间;主驾侧风窗玻璃一半目标区域速度未达到1m/s，其出风气流冲击在视野区前方，视野区内流速较低，都不利于除霜。

通过对风格内部导流叶片进行调整以及风管出风口格栅进行调整，并将侧出风口格栅角度向下旋转约2～3°，计算后的结果如图5所示。从图中可知，优化方案的前挡风玻璃以及侧窗玻璃法规要求视野区域速度均大于1m/s，满足速度目标要求。

3.3 瞬态除霜效果校核

以满足速度目标分布的优化后模型为基础模型，进行瞬态除霜计算，按照瞬态除霜边界进行设置，计算结果如图6所示，20min时，前挡玻璃和侧挡玻璃的霜层均已基本除净，完全达到国标要求。

4 结论

本文论述了风管除霜分析常用的两种分析手段，并根据空调性能开发的要求，将整体要求细分到系统的目标要求。再通过CFD方法对目标性能进行了评估。

（1）采用CFD方法模拟汽车空调风管除霜器和挡风玻璃的流动和冰层的融化，以冰的液体分数来确定除霜模式的速度场。

（2）将空调风管除霜的目标分解到风管以及速度场，并通过速度以及压力的目标来控制系统的目标要求。

（3）CFD分析结果显示稳态速度场分布与瞬态的冰液体分数分布上有较好的一致性，CFD模型识别气流流动及挡风玻璃除霜趋势的能力较好。根据CFD稳态分析与瞬态分析之间的关联度，除霜性能分解的目标要求具有一定的可靠性，稳态分析可以作为除霜器性能和优化的有效技术。

参考文献

[1] Chris Swales，Christoph etc. Combining CAE and Experimental Techniques to DevelopOptimal Defrost/Demist Performance in a vehicle.SAE 200-01-1506.

[2] 邓峰，谷正气，杨易.等.汽车前风窗玻璃除霜除雾数值模拟分析和研究[J].汽车工程，2009，31（ 2） ： 175-179.

[3] 袁侠义，戴澍凯，姜叶洁.等.汽车除霜性能CFD分析与试验验证[J].客车技术与研究. 2015，（5）：52-54.

[4] 张晓兰，施俊业，陈江平.汽车挡风玻璃除霜性能数值模拟[J].汽车工程， 2007，29（ 11）.

[5] 陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2004.

[6] 陈孟湘.汽车空调[M].上海：上海交通大学出版社，1997.