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汽车除霜性能仿真与精度验证
2020-09-24 16:58:57· 来源：汽车CFD技术之家
1 除霜仿真分析模型1.1 基本模型汽车玻璃除霜是一个极其复杂的物理过程，涉及车身、风道与环境的对流换热、车身结构材料的热传递、霜层的融化吸热等。按暖风流通
1 除霜仿真分析模型
1.1 基本模型
汽车玻璃除霜是一个极其复杂的物理过程，涉及车身、风道与环境的对流换热、车身结构材料的热传递、霜层的融化吸热等。按暖风流通的路径又可将除霜过程分为：鼓风机吸风、冷风加热、暖风除霜三个阶段，如图1 所示。
本文主要关注霜层融化的仿真精度，不再对暖风芯体换热过程建模。简化后的仿真分析模型主要涉及热流体的流动与传热，固体玻璃的导热，霜层的融化，车身内外饰与内外环境的对流换热。
仿真分析模型是从暖风除霜过程开始搭建的。为了获取出风口较真实的流场分布，这里仍保留了空调箱及风道的几何结构，如图2所示。计算域包括空调箱、乘员舱、固体玻璃、玻璃外空气域及霜层。其中，霜层由玻璃外与空气域交界面创建的壳网格构成。
1.2 设置参数
仿真是对现实的虚拟。模型中设置参数如边界条件、材料属性等与真实值或多或少存在一定偏差，这些差异都将影响最终的仿真结果。
设置参数一般分为输入参数、边界条件及材料属性三类，如图3 所示。
1.2.1 输入参数
输入参数是指除霜模式下的整车风量、风口风温及霜层厚度
除霜风量与风温与车辆性能有关。风量是在整车状态下，由专用设备测量获得，如图4所示。
用此方法测得为常温下的除霜风量。在除霜过程中，环境温度约为-20℃，且经暖风加热，空气物理属性改变，所以风量并不固定。
风温在除霜试验过程中进行监测。前除霜均匀布置4个热电偶，侧除霜各布置1个，如图5所示。
霜层厚度与试验条件相关[15]。本次首次采用三坐标扫描仪对霜层厚度及均匀性进行了测定。为保证不影响视野区除霜效果，在玻璃外表面布置5块方形小玻璃，喷完霜层后取下立即进行厚度扫描，如图6所示。
1.2.2 边界条件
边界条件主要考虑车身与周围环境的对流及自身热传导。因温度范围相对较低，辐射很小，不考虑辐射影响。同时，也忽略车身结构自身的吸热量。
为验证边界条件设置的合理性，在除霜试验过程中，在重要位置布置多个热电偶，如仪表板、窗立柱、顶棚、座椅表面等，如图7所示。
1.2.3 材料属性
在热仿真中，材料属性主要指热物理属性，包括密度、比热容、导热系数及动力黏性（流体）。有些参数可以从材料库直接查得，还有一些需要进行特殊处理。
（1）空气：空气的密度、导热系数与动力黏度受温度的影响很大，仿真分析模型中应按真实值赋值。比热容随温度变化并不大，可视为常数。
（2）玻璃：玻璃的材料属性对温度并不敏感，本文按常量来处理。前风挡玻璃与前侧窗玻璃一般结构不同，材料属性也不相同。前风挡玻璃一般为具有三层结构的夹胶玻璃，如图9所示。两层玻璃间夹一层PVB胶。
（3）霜层：除霜试验中的霜层由高压喷枪喷出的水雾遇低温车窗玻璃凝结而成，吸收经玻璃传递而来的部分暖风热量而融化。最先融化的霜层形成液膜附在玻璃表面。在融化的霜层由霜和水两层结构组成，其物性参数也需要用综合系数来表征，计算公式同（7）-（9）。霜或冰为晶体，冰点为0℃（标况）。在仿真软件STAR-CCM+中， 认为当温度达到0.002℃时，霜层完全融化[13]。
2 仿真精度
依据国家标准对除霜性能的要求[16]，本文重点关注前25min 的除霜精度。模型设置总时长为25min。运算过程中对出风口温度、风窗玻璃外表面及内饰表面温度，除霜面积比进行实时监控。
2.1 出风口温度
风道出口温度直接影响除霜效率，对仿真精度至关重要。由于前除霜与侧除霜出风口温差相差较大，需要提前修正侧除霜风道对流换热系数，以保证出风口温度仿真值与试验值吻合。由图11知，仿真值与试验基本一致，300s（5min）之后偏差在1℃以内。
2.2 内饰表面温度
为了模拟内饰表面升温现象，模型中施加对流换热边界条件。仿真与试验结果对比如图12所示。因为仿真分析模型中未考虑车身自身温度升高所吸收的热量，故在除霜初期仿真温升比试验偏高。但到达25min 时，内饰温度基本稳定，此时仿真值与试验值基本一致。
2.3 除霜过程
为验证除霜玻璃表面温度仿真精度，试验中，采用热感成像仪（见图13）进行了拍摄记录。对比发现两者温度分布基本吻合，两者偏差在3℃以内。下面将25min 的结果对比如图14所示。
前除霜仿真比试验慢，可能为试验中前风挡玻璃距离机舱较近，机舱散发出来的热量使前风挡玻璃周围空气高于试验舱设定温度，最终导致试验除霜速度快于仿真。由于侧窗距离机舱相对较远，受其温度影响较小，仿真精度也较高，左除霜与右除霜仿真精度均在90%以上。
3 结论
本文通过理论计算或试验测试等多种途径，对仿真分析模型中的各输入参数均进行了研究，从输入参数、边界条件及材料属性三个方面，对各参数进行了标定，保证了每个参数的输入精度，完成了除霜性能仿真标准的制定。试验结果表明：在输入参数准确的情况下，基于STAR-CCM+的除霜仿真分析模型可以很精确的评估除霜性能，保证在整车开发过程中除霜性能的达成。
（摘自-胡忠辉，刘存斌，刘东→汽车除霜性能仿真与精度验证）
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