基于Star-CCM+的某车空调除霜仿真研究
汽车除霜性能是评价汽车行驶安全及舒适性的重要指标，GB/11555—2009《汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法》对于风窗玻璃的除霜系统性能做出了严格规定。为保证法规对某某车前风挡玻璃及侧窗玻璃的除霜性能要求，满足整车开发周期，首先运用Star-CCM+软件对某某车进行除霜稳态分析，依据分析结果改进除霜风道结构，以优化流场，然后在优化后模型上进行瞬态分析，确保某车除霜性能达标。
1 除霜标准
除霜系统是某车热系统的一部分，在HVAC的暖风芯子中，利用空调蒸发器及发动机余热对引入的车内空气（内循环）或车外干空气（外循环）进行加热升温，通过除霜风道的热气流喷向玻璃内表面形成热风幕，对前挡及侧窗玻璃内表面进行持续性加热，基于射流冲击换热原理融化玻璃外表面上形成的霜或冰层，实现除霜效果。
除霜系统性能的好坏在于管道流量分配是否合理，能否快速除霜除雾。其中，国家标准明确规定了除霜的区域和时间，20min时，C区有80%完成除霜，25min时，C ' 区有80%完成除霜，40min时，A区域有95%完成除霜，企业标准补充要求40min时侧窗y-y线车前方向一侧区域有70%完成除霜。除霜分布区域划分如图1所示。
图1玻璃表面除霜区域划分图
2模型简介
在整个CFD仿真模拟过程中，采用前处理软件Hypermesh建立除霜网格模型，完整除霜模型包含乘员舱、空调箱、除霜风道、玻璃和霜层，其中乘员舱包含舱内较大附件，网格模型划分过程中，对小面、短边等边界进行适当简化，网格为三角形，不允许单元有穿透。
将创建好的面网格模型导入Star-CCM+软件中，并对网格质量进行修正，创建三维体网格，网格类型可为多面体网格，定义计算对象的物理模型及边界条件。对除霜过程进行稳态及瞬态分析，查看速度场、压力场及温度场，其中，影响分析结果的主要因素包括霜层厚度、玻璃热阻、玻璃与驾驶舱的对流交换等。
3边界条件
对于稳态分析过程，设定气体为定常不可压流体，空气密度设为定常，入口设为流量入口，出口设为压力出口，壁面设为无滑移条件；对于瞬态分析过程，空气是被暖风芯子加热的，密度发生变化，此时密度主要由温度引起，仍然将空气看作为不可压流体。将空气设定为理想气体，入口设为流量入口，入口温升曲线如图2所示，出口设为压力出口。其中，依据图3的暖风芯体单体换热曲线可以校对HVAC入口瞬态计算温升曲线。
图2HVAC入口瞬态计算温升曲线
图3暖风芯体换热曲线
4 稳态计算分析
模型结构中，方案2在方案1基础上，调整右侧除霜管道弯折角度，提升前档玻璃对应管道冲击点位置，方案3在方案2基础上对导流结构进行微调，其中方案3除霜管道几何图如图5所示。首先针对3个方案进行了除霜风道流量分配分析，流量比例分配作为除霜分析预评估的一个参考项，其中，方案3风量分配比例中两侧分配相对较高，利于除霜，其他两方案略低，中左、中间、中右风量分配比例基本相当，方案3模型如图5所示，流量分配比例如表2所示。
文中针对3个方案进行了除霜稳态分析，验证了了除霜稳态风速大于1m/s的覆盖区域。
从图4可看出，原方案中前挡视野区内表面速度在1m/s以下面积较大，且右侧玻璃视野区覆盖较少，对方案1模型进行优化，调整右侧除霜管道弯折角度，提升前挡玻璃对应管道冲击点位置，得到方案2，对方案2进行分析， C区1m/s以上速度覆盖率为97%，C ' 区1m/s以上速度覆盖率为85%，A区1m/s以上的速度覆盖率为89%，冲击点位置提升后，显著增加了A区高速区覆盖率，且右侧管道更改后，视野区覆盖较好，与方案1相比有很大改善，但仍有不足之处，对方案2进行再次优化。
在方案2基础上对导流结构进行微调，得到方案3，对方案3进行分析， C区1m/s以上速度覆盖率为97%，C '区1m/s以上速度覆盖率为94%，左侧视野区高速覆盖面积有所增加。
图4方案1
5瞬态计算分析
在对除霜稳态分析进行两次优化得到除霜风道结构形式基础上，对方案2的除霜风道进行除霜瞬态分析，玻璃上的霜层融化结果状态如图5所示。
图5 前挡玻璃霜层融化状态图
计算表明，在650s时，侧窗玻璃主驾侧有很小区域完成融霜；在720s时前挡玻璃处有很小区域完成融霜；780s时，侧窗玻璃主驾侧霜层有很小区域完成融霜；在1200s时，驾驶侧除霜完成度92%，副驾驶侧除霜完成度81%；在1500s时，驾驶侧和副驾驶侧除霜完成度100%。
6结论
基于空调、驾驶舱数模及流体热力学理论建立除霜计算仿真模型，利用CFD的手段对汽车空调除霜过程进行稳态分析和瞬态分析，并对除霜风道结构进行优化，得出优化模型的霜层融化时间及区域，符合评价标准。
