汽车空调系统除雾性能数值模拟

汽车空调除雾性能数值模拟

于剑泽1李飞2乔鑫3孔繁华4

（华晨汽车工程研究院，沈阳 110141）

摘要：汽车空调除雾性能对汽车的安全性至关重要。本文通过STAR-CCM+中的稳态计算来预测汽车空调的除雾性能，用瞬态分析模拟雾层消除过程，考察当前风道的除雾效果。通过与国标要求进行对比，为汽车除雾系统性能的模拟工程提供了参考。

关键词：计算流体力学（CFD）、空调系统、除雾分析、STAR CCM+

Numerical Simulation for Automotive HV AC Defogging Performance

Jianze Yu1 Fei Li2 Xin Qiao3 Fanhua Kong4

Brilliance Automotive Engineering Research Institute

Abstract：The defogging performance of automotive HVAC is very important for driving and traffic safety. The performance of defogging is evaluated by using steady simulation in STAR-CCM+，implicit unsteady simulation is used to research the contours of fog layer thickness fraction on windshield, to study the effect of defogging with current duct. Which is evaluated by referring to national standards (GB 11556-1994)，this article provides a reference to the simulation on the defog performance of automotive

Keywords:Computational fluid dynamic (CFD),HV AC system, defogging, STAR CCM+

0前言

汽车在雨雪天气行驶时，空气的湿度较高，空气中的水蒸气遇到冷的玻璃很容易在其表面形成雾水，从而影响严重遮挡驾驶员的视线，对安全行车十分不利。

在2002年的调查中，风挡结雾问题成为汽车暖通空调系统中出现最多的问题[1]。风挡结雾问题一直是困扰广大汽车用户的前十大问题之一[2]汽车风窗玻璃起雾有两个条件，一个是湿度过高，一个是温度过低，两者缺一不可。原因一：在空气湿度一定的情况下，车窗温度低于露点温度时，就会在车窗表面形成结露，这也就是我们经常看到的前风挡起雾现象。原因二：在车窗两侧出现一定的温差，温度低的表面水分的饱和蒸汽压低于周围环境的蒸汽压时，水汽就向玻璃表面聚集，并以微小的水珠形式渗析出来而形成雾汽。

风窗玻璃的除雾性能设计是汽车的重要安全性能指标之－，国家提出了相应的法规要求

(GB11556-1994)。

表1 汽车风窗玻璃除雾系统的性能要求

汽车风窗玻璃的除雾性能与除霜除雾风道的设计有密切的关系。在汽车除霜除雾风道的设计开发中，传统的方案是凭借经验进行设计，这需要在整车试制完成后才能进行试验测试，此时改变除霜除雾风道，可能会涉及布置、内饰甚至模具的修改，成本和代价很大[3]。本文通过商用CFD 软件STAR-CCM+对某汽车空调除霜除雾风道进行了流场特性的仿真分析，通过稳态分析与瞬态分析得到风窗玻璃表面的气流流速、温度分布，并绘制出随时间变化的雾层消融情况的云图，可以深入了解风道内部的流场分布和压力场分布。这种基于CFD 数值仿真技术的除霜除雾风道优化设计方法能大幅度提高设计产品的质量，降低设计成本，缩短设计周期，在前期开发和后期优化中都得到了广泛的应用。

1模型建议与数值计算

1.1数学模型基本理论

流体流动受物理守恒定律支配，基本守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。以下是这些守恒定律的描述[4]：

由质量守恒导出连续性方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

在进行除雾的瞬态分析过程中，Defog采用的蒸发模型为：

(4)

其中：

m:蒸发／凝縮速度[kg/m2s]

Cg：蒸汽浓度

Cs：饱和蒸汽浓度

CG=0.622+0.378Cg

CS=0.622+0.378Cs

ρg:空气密度[kg/m3]

βg:经验系数，Re,Sc数的函数

蒸发模型中，将玻璃表面的雾看作是无数小雾滴的聚集，雾滴的蒸发过程是一个传热和传质同时并存又相互影响与促进的过程，雾的蒸发和凝结过程看作是小雾滴半径的收缩。图1为车窗玻璃上雾滴是示意图。

图1雾滴模型

1.2几何模型及网格划分

图2、3分别是某除雾分析有限元模型和除霜除雾风道模型。

该款车的除霜除雾风道由前风窗玻璃出风口和两个侧风窗玻璃出风口组成。考虑建模情况，在不影响计算精度的前提下对管道和驾驶舱模型做了一些简化处理，以减少网格总数及计算时间。但是关键部件如管道格栅、仪表板、方向盘、内饰护板、座椅等未作任何简化。从CATIA中导出IGS 格式的数模再导入至ANSA中进行前处理，得到一个封闭空间的计算域。利用STAR-CCM+划分多面体网格，对风道和风窗玻璃设置3层边界层，采用多出局部加密。

图2 除雾分析有限元模型图3 空调除霜除雾风道模型

1.3边界条件和计算设置

计算中假定空气为不可压缩气体，湍流模型为Realizable K-epsilon 模型，空间离散采用二阶迎风差分格式，迭代方式选用Simple算法，计算边界条件如下所示：

(1) 入口条件为0.15kg/s，温度300K；

(2) 出口边界为压力出口；