0 前言
當駕駛室擋風玻璃溫度低于水蒸汽的凝固點時，其外側(cè)會形成霜，霜的存在會嚴重影響駕駛員的視野。因此，車輛除霜性能是否達到相關(guān)國家相關(guān)標準要求是衡量整車性能好壞的一項重要指標。國家標準要求在規(guī)定的時間內(nèi)除掉一定范圍內(nèi)的積霜。要達到這項要求需要保證從出風口噴出的暖風能較均勻地分布在擋風玻璃上。目前對于車輛除霜性能的研究主要集中在小轎車和輕型客車方面。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，市場對重型車的需求日益增大，對于重型車除霜性能的研究也迫在眉睫。本文運用STAR-CCM+流體仿真軟件對某重型車駕駛室擋風玻璃的除霜過程進行數(shù)值模擬，得到該重型車的除霜性能，避免了由于傳統(tǒng)試驗所造成的浪費，為重型車的除霜系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù)。
1 數(shù)學模型
除霜分析是一個非穩(wěn)態(tài)計算過程，其控制方程為N-S(Navier-Stokes)方程：
式(1)中，ρ是密度；φ是通用變量；Γ是廣義擴散系數(shù)；S是廣義源項。
除霜過程中駕駛室擋風玻璃受到熱空氣的沖擊，將熱量傳遞到玻璃外側(cè)的霜層上。當霜層上的熱流能量超出了霜層初始的能量時，霜層開始融化。其能量方程為：
式(2)中，ρ是密度；H是焓；v是流體速度；S是廣義源項。
霜層初始能量的計算公式為：
式(3)中，Eini是霜層初始能量；ρi是霜層密度；t是霜層厚度；A是邊界面積；Cp是比熱容；T是溫度；L是潛熱。
邊界熱流的計算公式為：
式(4)中，Cemp是經(jīng)驗系數(shù)；qw是邊界熱流。
2 物理模型和網(wǎng)格劃分
除霜分析的計算模型主要包括駕駛室、玻璃和霜層等。本文最大可能的保留駕駛室內(nèi)部特征，并對出風口和玻璃進行網(wǎng)格加密處理，如圖1所示。
圖1 出風口和玻璃處網(wǎng)格劃分
本文使用Hypermesh軟件劃分面網(wǎng)格。將面網(wǎng)格輸出為stl文件后導入到STAR-CCM+中生成體網(wǎng)格，同時在玻璃表面外發(fā)現(xiàn)防線拉伸5層共6mm的體單元，霜層厚度為0.5mm。本文中體網(wǎng)格數(shù)量約為500萬，局部網(wǎng)格形式如圖2所示。
圖2 模型局部網(wǎng)格
本文中定義駕駛室內(nèi)初始溫度為255K，定義入口邊界為速度入口(Velocity Inlet)，速度大小為6.6m/s。入口處空氣溫度隨時間變化，變化趨勢如圖3所示。定義出口邊界為分離流動(Flow-splitOutlet)，分離比率為1。定義壁面為光滑固壁。
圖3 入口處空氣溫度變化曲線
3 分析結(jié)果
通過計算得到擋風玻璃表面速度云圖如圖4所示，從圖中可以看出擋風玻璃上風速分布比較均勻，B區(qū)上邊緣處風速處于3m/s以上，能較好地滿足除霜的需求。
圖4 擋風玻璃上速度云圖
圖5給出了除霜過程中整個駕駛室內(nèi)部的流線。從圖中可以看出，熱空氣由除霜出風口直接噴射于擋風玻璃表面，且較為均勻地覆蓋了整個擋風玻璃。由于駕駛室內(nèi)部流速普遍較低，不會對乘員造成不舒適感。
圖5 駕駛室內(nèi)部流線
圖6得出了20min、25min和40min不同時間點的除霜效果，深藍色區(qū)域為霜層厚度為0的區(qū)域，表明該處已完成除霜。
圖6 不同時刻(t)霜層厚度分布圖
GB 11555-94要求除霜開始后20min時，至少應將A區(qū)的80%面積的霜除凈；25min時，至少應將A＇區(qū)的80%面積的霜除凈；40min時，至少應將B區(qū)的95%面積的霜除凈。由圖6可以看出，本文除霜效果較為理想，在25min時A區(qū)和A＇區(qū)霜層已除盡，B區(qū)除霜面積已達到90%以上，在30min時B區(qū)除霜面積己超過95%，完全滿足相關(guān)國家標準要求要求。
4 結(jié)論
(1)本文通過對某重型車駕駛室擋風玻璃進行除霜分析，得出出風口噴射出的暖風均勻覆蓋于擋風玻璃表面，且駕駛室內(nèi)部風速較低，不會令乘員產(chǎn)生不適。
(2)依相關(guān)國家標準要求對除霜效果監(jiān)測，20min時除盡了A區(qū)80%面積的霜，25min時除盡了A＇區(qū)的80%面積的霜，30min時B區(qū)除霜面積達到95%以上，滿足標準要求。
(3)數(shù)值模擬整個除霜過程，避免了試驗方法周期長費用高的不足，為重型車的除霜系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù)。
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