某特种驾驶室除雾风道的正向开发

杨曦明

摘 要：文章以某越野车特种驾驶室除雾风道为研究对象，对正向开发过程中的各个阶段进行研究。探讨了除雾系统在以下几个方面开发过程中的方法，并对开发经验进行总结。其主要包括前除雾风管的设计、除雾风道的CFD分析、除雾风道的优化、除雾结果分析、快速样件风速测量、除雾试验。此次除雾系统正向开发事例，为后续车辆的除雾系统的开发提供了可借鉴的理论基础、设计范例、仿真研究、试验验证方法，使其能满足一般汽车的除雾性能要求，减少其开发时间和开发费用。

关键词：汽车；除雾；风道设计；CFD

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）12-51-04

Abstract： In this paper， the research object of demist duct about an off-road vehicle cab is studied in all stages of the positive development process. Demist system is discussed the following aspects in the process of development methods， and to summarize development experience， mainly including former demist duct design， in addition the CFD analysis of demist duct， the optimization of mist duct， the mist analysis results， wind speed measurement results of rapid sample， the demist test. Through this positive development examples of demist system， the development of the demist system can be drawn lessons from the basic theory， the design theory， simulation and test verification method， satisfied with the requirement of automobile demist regulations. and it reduces the development time and development costs.

Keywords： Automobile； Defogging； Air duct design； CFD

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-51-04

前言

汽车在寒冷或潮湿环境下行驶时，驾驶室内乘员呼吸出和体表蒸发的水蒸气，遇到前风窗和车门窗玻璃，受冷凝结成小水滴，吸附到玻璃上，在风窗玻璃的内表面上形成一层不均匀的薄雾。这影响驾驶员观察路况的视线，严重威胁驾乘人员的安全。驾驶室风窗玻璃起雾，冬季在我国北方，特别是东北、内蒙、新疆等高寒地区尤为明显；夏季在我国南方，特别是广东、福建、云南等高湿地区尤为明显。

1994年国家出台了针对除雾性能的强制检测标准——GB11555-1994，《汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能要求及试验方法》（现该标准已更新到GB11555-2009）[1]。它要求每辆汽车应装备除雾系统，能够确保在潮湿天气条件下恢复风窗玻璃的能见度。具体要求如下：在10分钟内，汽车玻璃A区90%完成除雾，B区80%完成除雾。

1 前除雾风管的设计

1.1 前除雾区域的定义

车辆的除雾区域，根据GB11562-2014《汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》[2]进行确定A区和B区。A'区和B'区是以汽车纵向中心平面为基准面，与A区和B区相对称的区域。A区、B区、A'区、B'区即该车辆所须的除雾区域。 本车的除雾区域见图1。

1.2 前除雾出风口数量

前风挡玻璃为两块玻璃，单个玻璃的长宽比接近2：1，为保证除雾风口除雾时形成的风幕能完整的覆盖每块玻璃主要区域，前除雾出风口在每块玻璃下面需布置两个风道，每个风道有两个出风口，共8个出风口。如图2、图3：

1.3 前除雾风管设计要素

1.3.1 前除雾风管的中心与前风挡玻璃的距离受造型影响为50mm左右，通过查表（见表1）[3]，最后选择前除雾风管的出风方向与前风挡玻璃的夹角30°左右。

1.3.2 为减少气流损失，前除雾风管两侧的设计角度为30°、45°、60°，都不大于60°。[4]

1.3.3 风管的宽度为300mm左右，满足200mm-400mm的区间。

1.3.4 风管的宽度/高度=3，满足≥1.75的需求。

1.3.5 风管之间的盲区为65mm、105mm、145mm，均小于200mm。

1.3.6 风道尽可能圆整，避免风道断面的突变。

1.3.7 风道入口截面面积和出风口截面面积尽可能相近。

1.4 前除雾风管三维数据设计

除雾风道在设计时，由于受仪表板空间的严格限制，会因各种避让增大风阻。在遵循风道的设计要素下，设计风道三维数据如下：

2 除霧风道的CFD分析

2.1 几何模型

本文车型的除雾风道是在CATIA V5 R19的平台上进行设计的。几何模型完全保留了实际构建的几何特征，但为方便除雾计算，一些细小的几何特征将被忽略，例如管道的弧形倒角将按照硬性直线倒角对待。

网格划分是运用HyperMesh完成，对于复杂的风道结构，主要采用非结构化的四面体网格进行网格划分，在风道、风窗玻璃内表面及仪表盘表层布置有3层边界层（见图4）。网格类型为Polyhedral Mesher和Prism Layer Mesher。

除雾系统是主要以管道流动配合除雾模型的三维瞬态流场分析，通过STAR CCM+软件采用有限体积方法离散流场求解N-S方程。对热源的模拟采用流体域施加能量源项的处理方法进行处理。

除雾风道总计有四个出风箱outlet1、outlet2、outlet3、outlet4，每个出风箱又分为左右两部分，从左至右分别命名为outlet1R，outlet1L，outlet2R，outlet2L，outlet3R，outlet3L，outlet4R，outlet4L，如图4所示。其中outlet1R，outlet1L，outlet4R，outlet4L每个有12个出口。

2.2 计算模型及边界条件

选取稳态计算模型，湍流模型选取Realizable K-Epsilon模型。风道本体为无滑移壁面。

除雾风道入口为流量入口，出口为Pressure Outlet。

除雾器流量为900m3/h，功率6000W（发动机冷却水水温80℃），出风相对湿度96%。

2.3 计算结果分析

从图5 流线图中可以看出出风箱outlet4出风不畅，在右部有较大回流区域，导致outlet4R出风量相对于outlet4L明显偏小。图6展示了各个出口截面的速度分布。可以看出，outlet4R出口平均速度最低。

各个出口出风量及所占比例见表2。其中项目占比指的是各个出口出风量占总出风量的比例。从表2可以看出，outlet4出风量最大，outlet1出风量最小。四个出风箱出风量比较平均，但是outlet4左右两部分出风分配极不均匀。

3 除雾风道的优化

3.1 几何模型

鉴于四个出风箱出风量比较平均，仅出风箱4左右两部分出风极不均匀，优化主要针对出风箱4进行。由于周边部件的限制及安装需求，对出风箱4做了以下四个方案（见图7）。

3.2 计算结果分析

四种模型的各个出口出风量及占比见表3。可以看出，每种模型四个出口的出风量分配都比较均匀，但只有Model4的出风箱4左右两部分出风量比较均匀，符合设计要求。

4 除雾结果分析

风量设计标称风量为900m3/h，雾层厚度0.015mm。从图5可以发现经过10分钟后雾层在风窗玻璃A区完全消除，B区虽有10%的雾层还没有消除，但符合法规要求。见附图9、图10。

故该除雾系统满足设计要求。

5 快速样件风速测量结果

5.1 试验方案

5.2 测量位置见图11、图12

5.3 测量数据见表5

5.4 结果分析

從表5中可以看出除雾风口的风速基本均匀，风幕可以覆盖整个玻璃，满足设计需求。

6 除雾试验

6.1 试验条件

依照GB11555-2009对整车进行除雾试验考核。

6.2 试验结果

10分钟后，除雾面积轮廓图见图13、图14。

6.3 试验结果及评定

绘制驾驶员和副驾驶员侧的除雾面积轮廓图，计算面积值和所占风窗玻璃总面积的百分比。数据结果按GB/T 8170-2008《数值修约规则与极限数值的表示与判定》要求分别修约到1位小数。

汽车玻璃A区100%完成除雾，B区≧95%完成除雾。满足法规要求：在10分钟内，汽车玻璃A区90%完成除雾，B区80%完成除雾。除雾试验合格。

7 结论

本文通过一款越野汽车的特种驾驶室除雾系统的正向开发，阐明前除雾风道的一般开发过程和须注意事项。首先通过产品三维设计，使调整除雾风口的布置位置和除雾风管的走向，实现可视化和参数化，并能充分利用其它功能件剩余的内部空间。其次通过除雾风道的CFD分析，调整风道风量分配，优化风道设计结构。然后除雾风道在整个驾驶空间内运行的CFD分析，验证除雾效果。最后通快速样件的实物验证，确保产品开发符合设计需求，减少风道的模具更改费用。通过以上分阶段过程的严格把控，确保了后续整车除雾试验一次性验证成功。

上述方法是对特种车辆前除雾风管的以往经验的总结。新产品的开发依照此方法进行设计，不仅减少方案修改次数，降低开发成本，并且缩短研发周期。

参考文献

[1] GBll555-2009汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法.

[2] GB11562-2014汽车驾驶员前方视野要求及测量方法.

[3] 何明，郭华梅，徐波.HNSAE11039浅谈前除雾风管的设计.河南省汽车工程学会第八届科研学术研讨会论文集.p72-74.

[4] 何小飞.汽车风道的设计.汽车工程师.2012第8期.p31-32.