汽车前照灯热气流分析--PIV测量和骨架模型CFD仿真

摘要

汽车前照灯的传热性能评价和空气流场预测对于提高前照灯的隔热性能、耐久性和通风性能具有重要意义。在本研究中，以实验与数值模拟的方式，探讨汽车前大灯模型内的热传与空气流场。首先采用粒子图像测速仪（PIV）对汽车前照灯内的换热回路进行了速度场测量。然后，通过使用PIV测量结果作为CFD模拟的边界条件来进行计算流体动力学（CFD）模拟。1.前言许多新型机动车都配备了创新设计的前照灯。在设计和制造这些头灯时，难以采用传统的灯结构，因为这些头灯由于对小型化、多功能和使用透视透镜的日益增长的需求而需要复杂的内部结构。因此，在前照灯设计阶段，除了光度和可见度特性外，还必须检查热传递和空气流通性能等附加特性，从而促使前照灯开发周期延长。为了缩短前照灯的开发周期，在设计阶段了解前照灯内部的热气流特性尤为重要。如果这些特性可以通过CFD预测模拟，将有可能优化前照灯的内部结构，排除与通风和传热相关的前照灯问题，并选择具有更高性价比的前照灯材料。

图1  前照灯结构图然而，在试图通过CFD仿真来理解热空气流动特性时存在许多问题。图1所示为构成前照灯的部件。从图中可以明显看出，大灯内部形状复杂，零件数量较多。而且，一个组装好的前照灯包含许多小的隔间空间，其复杂的内部结构需要大量的模拟来生成CFD中的网格。为了说明灯泡的热辐射和通过前照灯中约1mm厚的塑料部件的热传输，模拟必须处理数百万数量级的大量接触点。在本研究中，我们制作了一个前照灯骨架模型，以进行CFD模拟和PIV测量，并将CFD和PIV结果进行比较，以确定CFD预测前照灯内部温度和空气流场的问题。

2.用于CFD/PIV的骨架模型

图2图示了安装在车辆上的头灯的横截面。前照灯通过其车身后部接收从发动机室辐射的热量，但在其前透镜表面上，前照灯在行驶过程中由开放空气冷却。因此，被灯泡表面加热的空气沿着反射器向上流动，碰撞到透镜中，然后沿着透镜的内表面形成下降气流。部分空气通过反射器和延伸部之间的间隙沿着主体循环。此外，通过上下空气出口，空气在前照灯和发动机室之间交换。

图2  前照灯内气体流动情况在本研究中，我们采用了一个前照灯骨架模型，以方便PIV测量。该模型由反射器和扩展组成，两者都包含在丙烯酸外壳中。图3-1和3-2显示了我们用于PIV测量的实验装置。所有的头灯部件，除了透镜和身体，都被包裹在3毫米厚的丙烯酸板。通过使用骨架模型，方便我们进行PIV测量。在PIV测量中激光束照射在薄层中，并且根据存在于激光薄层内部的示踪剂粒子的色散图像来测量速度。如果由横向交叉的激光薄层形成的压克力表面是平坦的，则压克力对激光束的折射可以忽略。

图3-1  骨架模型（前面）

图3-2  骨架模型（后面）

表1所示为骨架模型前照灯的无量纲参数。在模拟无量纲参数时，采用表2所示的特征速度和空气性质。空气性质值为400 K。在计算特征速度时，将骨架模型内部的最大空气温差设定为100 K。由于Re= 3，400和Ra=8.25×106，假设前照灯内的气流为层流。因此，计算出的特征速度为0.64 m/sec。在前照灯高度方向上，因为气流是自然对流。然而，实际头灯的PIV测量已经表明实际头灯中的最大气流速度仅为0.2m/sec。因为气流受到安装在头灯体上的空气过滤器的限制。

表1  无量纲参数

表2  空气特性3.CFD仿真由于计算机的显著进步和模拟算法的建立，最近的CFD能力已接近实用水平。可以预见，在不久的将来，将有可能在考虑冷介质辐射和灯中使用的各种材料之间的温度分布的同时模拟灯内部空气的自然对流。事实上，我们已经在尝试CFD模拟，其中包括冷介质辐射和灯材料因素。然而，在本研究中，我们采用温度作为边界条件，通过使用骨架模型对前照灯内部的空气流场进行CFD预测。将CFD预测结果与PIV测量结果进行比较，从而能够确定最合适的总传热比值。结果，边界条件的重要性，特别是总传热比，变得明显。为了进行灯内的热传递特性的CFD模拟，使用了以下的数学式。方程（1）是表示在空气流场中微元的转移质量的平衡的连续方程。在本模拟中，空气流场是稳定的，因此方程（1）左侧的第一项为零。

方程（2）是表示空气流场中的微元件的动量平衡的运动方程。在该方程中，空气流场也是稳定的，因此左侧的第一项为零。这意味着左侧的第二项中的惯性力与右侧的第一项中的压力和右侧第二项中的外力平衡。

式（3）是表示空气流场中的微元的焓的平衡的式。由于在本CFD模拟中采用温度作为边界条件，因此在能量方程中处理温度将更方便。然而，在本模拟中，平衡方程以焓的形式表示，并且使用方程（4）将焓转换为温度。

方程（5）是流体密度的状态方程。
 

将这五个方程离散到微元仿真网格上，计算了微元单元上的速度和温度。4.仿真网格公式化对于仿真网格的公式化，我们采用了CATIA和ICEM CFD。图4-1显示了CATIA生成的线框模型。图4-2显示了在线框上生成的面部模型。然后，在生成一个体积之后，我们通过ICEM生成一个网格，如图4-3所示。这个网格由四个元素组成，总共有大约700，000个单元。

图4-1  线框模型

图4-2  面部模型

图4-3  ICEM网格模型5.边界条件
CFD仿真使用了三种边界条件：（1）入口处的空气速度，（2）反射器和亚克力外壳内的其他部件的温度，以及（3）亚克力表面上的总传热比。对于条件（1），安装在骨架模型上的圆柱形管道（长100 mm，内径15 mm）入口处的速度设置为0.01m/ s（通过PIV测量）。如图5-1和5-2所示，灯泡、延伸导线和反射器的温度通过热观察仪和热电偶测量。图5-3中按实体列出了实测温度。图5-4也根据实体显示了亚克力表面上的总传热比，假设露天温度为23°C。在本模拟中，将温度作为边界条件，赋予包含在丙烯酸外壳内的每个部件。然而，在丙烯酸表面上，通过丙烯酸横截面的热量根据等式（6）给出。

换句话说，所有的丙烯酸部分都给定了热传递边界条件。通常，公式（6）中的“h”（总热传输比）是由诸如材料表面温度、流动构造（层流或湍流）以及材料和流体的接触角等因素确定的值。尽管通过实验获得“h”的值是重要的，但是该任务是耗时的。因此，在本研究中，我们假设通过采用PIV测量在亚克力表面上获得的速度场值作为“h”值，可以模拟骨架内部的空气流场。

图5-1  亚克力表面的温度

图5-2  反射器背面的温度

图5-3  温度的整体分布情况

图5-4  热传导率的整体情况6.仿真结果与PIV测量结果对比CFD仿真结果见图6 - 1、6 - 3、7 - 1、7 - 3，PIV测量结果见图6 - 2、7 - 2。图6 - 1、6 - 2和6 - 3所示的结果是从丙烯酸外壳前板后2mm的位置获得的。图7 - 1、7 - 2和7 - 3中所示的结果是在重力方向上从丙烯酸外壳上板向下2mm的平面。长阵列矢量表示高速度，短阵列矢量表示低速度。根据图6 - 1所示的模拟结果，被点亮的灯泡加热的空气从反射器流出，与亚克力外壳前板的上部碰撞，然后分成左右两股（见图中A1和A2）。分流气流沿亚克力外壳的上板（图7 - 1中的B1和B2）移动，并在靠近前亚克力板的两端（图6 - 1中的C1和C2）形成下降气流。此外，模拟结果表明，在区域D中流速变得非常低，在区域E中存在空气汇聚，并且在区域F中发现大的停滞。PIV测量结果如图6 - 2所示。这个数字显示领域的气流E和F不同于图6 - 1中,发现的最显著区别在空气下沉的位置区域g .此外,虽然空气源区域如图7 - 2 H的存在,没有这样的来源如图7 - 1所示。这些矛盾是归因于两个因素。首先,如图5 - 3明显,我们采用的温度边界条件是不够严格。第二,如图5 - 4明显,丙烯表面传热系数是不够严格。图6-3和图7-3为利用亚克力表面总传热系数数据库，消除上述不一致性后得到的模拟结果;该数据库是根据PIV测量建立的。这些结果主要体现了三个方面的改进：（a）D区气流与图6-2一致，（b）H区气流来源与图7-2一致，（c）出风口位置G与图6-2相似。为了在空气散热器位置实现更大的一致性，必须在PIV测量和CFD仿真中考虑前照灯内部的辐射。7.结论在对前照灯内部热气流特性进行仿真分析之前，先制作骨架模型，然后进行CFD仿真和PIV测量。经过两个准备过程，可以实现前照灯内部空气流场的CFD模拟分析。(1)测量骨架模型内灯泡、反射器、延伸件和其他零件的表面温度，然后将测量结果用作温度边界条件中的结果。(2)利用PIV测得的速度场估算压克力表面的总传热比。我们计划通过考虑头灯内部的辐射来进一步提高丙烯表面上空气流场预测的准确性。在未来的工作中，我们打算建立一个新的模拟方法，纳入塑料零件内部的传热因素。

图6  分析部位（前部）

图6-1  CFD结果

图6-2  PIV测量结果

图6-3  PIV结果校正CFD结果

图7  分析部位（上部）

图7  CFD结果

图7-2  PIV测量结果

图7-3  PIV结果校正CFD结果


文献来源：Touichirou Shiozawa；Akio Nakanishi；Tatsuya Ozawa and Toshiou Oki；Norihisa Tsuda；Tetsuo Saga and Toshio Kobayashi . Thermal Air Flow Analysis of an Automotive Headlamp – The PIV Measurement and the CFD Simulation by Using a Skeleton Model [C].SAE Technical Papers, 2000