中文题目 通过车辆挡风玻璃除霜除雾系统的气流和热传 递的数值模拟外文翻译资料

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毕业论文(设计)

英文文献翻译

英文题目 Numerical simulation of the airflow over and

heat transfer through a vehicle windshield

defrosting and demisting system

中文题目 通过车辆挡风玻璃除霜除雾系统的气流和热传

递的数值模拟

通过车辆挡风玻璃除霜除雾系统的气流和热传递的数值模拟 A. Aroussi, A. Hassan, Y. S. Morsi

Heat and Mass Transfer 39 (2003) 401–405

DOI 10.1007/s00231-002-0307-x

摘要：利用数值模型和技术进行模拟湍流流动和热传递，建立一种汽车挡风玻璃除霜和除雾系统。简化的几何形状和尺寸的数值模型是代表具有准确位置的喷嘴和出口通风口的车辆系统，包括客舱功能，例如座位后包裹架。在Auto CAD中创建三维模型的三维几何（版本14）。在用于模拟流体流动的CFD软件的预处理器中产生表面啮合和750,000（四面体）流体单元的计算网格，采用k-ε湍流方程和壁面函数法模拟湍流。这个决定是通过比较k-ε模型的性能与低阶模型,考虑到增加的计算机时间要求和更复杂的模型，如雷诺兹应力模型的稳定性降低。在与通过热成像和热灯探针技术从实际的飞行器获得的测量值相比较后，研究的数值结果是非常令人鼓舞的。这些发现突出了现有风挡系统设计的一些缺点，并表明最大流量出现在挡风玻璃下部附近，从仪表板上的除霜器喷嘴进入。

关键词：除霜喷嘴;挡风玻璃;除霜;除雾;数值模拟;车辆

1. 引言

为了保障乘客的安全，必须始终保持整个车辆挡风玻璃的充分的视野，特别是在非常低的温度下,比如挡风玻璃屏幕上形成冰或雾层时。该要求的最重要的方面之一是挡风玻璃除霜/除雾系统能够立即完全融化外屏幕上的冰，同时消除内表面上形成的雾气。然而，由于挡风玻璃的几何复杂性和除霜除雾器系统的局限性，由除雾器喷嘴产生的气流不能完全覆盖整个挡风玻璃面积。因此，在大多数现代汽车中，挡风玻璃会出现严重的死区，最常见于挡风玻璃屏幕的角落和上部区域。

早期的研究者一直在寻找提高挡风玻璃除霜除雾器系统的设计方法。他们认识到这个问题，并在实验诊断技术中应用了最新的进展，通过计算流体动力学（CFD）来研究空气的流动。Stouffer和Sharkitt（1987）的工作旨在开发一种流体振荡器装置，以改善挡风玻璃上的气流分布，该设备还被用作挡风玻璃除霜除雾喷嘴，并取得了一定的成功。之后，Dugand和Vitali（1990）进行了实验研究，他们提出了硬件和软件的特定组合，用于处理所获得的图像，并提出了各种改进挡风玻璃/除霜系统的方法，其中就有使用热成像技术来检测发射表面的热场的方法。Carignano和Pippione（1990）使用计算机辅助热像技术来优化工业车辆系统的挡风玻璃除霜性能。Lee等人（1994）利用计算流体力学（CFD）代码即ICEM-CFD来模拟挡风玻璃除冰的机理，完整的车辆配置通过CAD进行转换，并使用多域方法创建和组装网格。作者还展示了开发模块在模拟冷室除冰测试中的能力，以补充实验工作。

最近，Brewster等人（1997）使用CFD代码STAR-CD模拟三维形式挡风玻璃上的冰建筑机理，并利用非线性焓 - 温度关系来模拟冰/水层。每5分钟预测熔融轮廓，作者验证了冰覆盖轮廓的数值模拟和冷室测试数据之间的良好一致性。Abdul Nour（1998）也提出了一个类似的研究，也使用了STAR-CD代码。他在各种运行条件下检查了挡风玻璃流场和车辆除霜系统，通过热线速度测量和数值预测之间的比较，显示出了各种除霜器和挡风玻璃流动的良好一致性。

在本研究中，系统对车辆挡风玻璃和客舱的全尺寸模型进行了气流的计算和流体动力学分析，以确定使用该方法产生的效果，还研究了机舱特征对除霜和除雾过程中气流特性的影响，提出了热图和热灯探头速度测量，并评估了速度轮廓和压力等方面的一些初步结果。

1. 计算方法

本系统使用的计算代码是Fluent（版本5.0.2），它使用有限体积法解决了完整的3D时间、连续性和体现能量相关的斯托克斯方程。这种计算代码被广泛应用于各种复杂几何形状的不同流动条件的非线性模拟，因为其证明的能力和有效性，在本研究中选择这种代码。本研究中的湍流被认为是稳定的，不可压缩的，粘稠的，符合牛顿定律的和各向同性的。

数值解决方案包括将几何体积分解成许多子体积，然后在这些体积上使用微分方程进行积分，以产生用于速度分量的一组耦合代数方程，以及每个体积的质心处的压力。使用求解器去估计压力场，然后解决动量方程的离散形式，以找到压力和速度分量的新值。这个过程一直持续，以迭代的方式，直到收敛标准被满足。

对于这里讨论的流动状态，可以是在车辆挡风玻璃除霜/除雾模型中存在涡流和循环区域。例如，凸表面上的流动可以导致轴向方向上的湍流强度减小，但是与平坦表面上的流动相比，法向上的湍流强度增加。因此，需要更高阶的雷诺应力模型来确保结果的必要精度（Morsi等人（1995））。

最初，湍流是使用低阶的k-ε和雷诺应力模型模拟。然而，在将k和ε性能与低阶模型进行比较之后，再将k-ε与壁函数模型进行比较，并考虑到计算机时间要求的增加和较复杂模型的稳定性降低，如雷诺应力模型。

2.1网格和边界条件

使用Autocad（版本14）CAD软件包绘制几何体，然后导入Geomesh软件（Fluent预处理器）作为初始图形交换规范文件（IGES）。模型的几何形状如图1所示，表面网格如图2所示。使用Geomesh生成表面网格，然后将三角形表面网格文件转移到Tgrid软件中以创建模型的四面体体积网格。计算网格由75万个四面体单元组成。此外，在初步分析已经进行之后，网格被细化以增加被显示为重要或高压梯度的区域中的密度，并且更重要的是实现网格独立性。

通过测量原型模型中的压降来建立边界条件。系统从挡风玻璃底部的除霜喷嘴到后出口的总压降等于数值解中实现的压力差。本论文已经研究了网格细化对结果精度的影响，特别是针对喷嘴出口，从而实现了栅格独立性。

图一：总体计算模型

图2：计算网格（750000四面体） A车辆内部，B挡风玻璃

2.2挡风玻璃除霜和除雾建模细节

汽车挡风玻璃除霜和除雾系统的全尺寸型号通过除霜器喷嘴和出风口的精确定位复制了封闭的真实系统。在这里检查的挡风玻璃系统中，流动通过放置在仪表板顶部的除霜器喷嘴阵列进入，并通过后挡风玻璃上的开口离开。虽然本文的主要工作在于挡风玻璃和除霜器喷嘴，车厢的全部细节也被并入模型中，从而可以确定车厢特征对挡风玻璃上的流动结构的影响程度。图1显示了三维挡风玻璃除霜和除雾车辆模型，包括内部特征。

1. 实验设备与方法

如上所述，使用一个完整的车厢和挡风玻璃。所有的试运行都是在除霜条件下的环境室温下进行的，其中流体介质通过位于仪表板上的除霜器喷嘴被排放到挡风玻璃中。

使用热成像技术来确定挡风玻璃上的温度轮廓，并检查挡风玻璃除霜的机理。在将其性能与其他系统的性能进行比较之后，决定使用热成像技术。热成像具有提供物体表面温度或速度的瞬时映射的优点，而不是在空间中逐点测量。此外，热成像技术可以在实验室中在正常环境温度下实时使用，以确定挡风玻璃上的温度分布。随后，使用计算机模拟，可以从这些结果得出除霜区域的时间发展和挡风玻璃上的空气速度分布。通过这种方式，可以修改除霜系统中的管道和出口配置，并预测修改后的系统的性能。

本工作中使用的实验装置的概要如图3所示。该系统由热像摄像机组成，其中通过记录挡风玻璃的热演变和录像机以及PC，来捕获、分析和处理所获得的图像。值得注意的是，为了确保透镜垂直于挡风玻璃的平面，热电偶位于挡风玻璃前方约3m距离的三脚架上。在打开加热通风 - 空调（HVAC）系统的鼓风机并设置热成像设备后，从加热开启的时刻开始，以三十秒的间隔重新开启热图。然后借助于热灯泡探头确定屏幕上气流的速度，以确保准确度，与挡风玻璃定位在大约5mm。

图3：实验装置

1. 结果与讨论

在这项研究中，我们主要关注通过挡风玻璃通风口的实际空气分布，包括完整的HVAC系统，仅在除霜器模式下运行。挡风玻璃上和周围的预测速度矢量用于评估除霜/除雾系统的过程。另一方面，乘客附近的速度场和极高速度的区域用于确定乘客的吃水程度和驾驶员/乘客的不适程度。

对挡风玻璃模型内部和周围的流动行为的一般观察，参见图5a和5b，如果它们是敞开的，说明空气主要通过挡风玻璃除霜器格栅以及仪表板（IP）通风口排放到机舱内。在系统中，有四个主要的IP寄存器，两个在仪表板的中心，一个靠近两个前门的每个。这些IP寄存器可以指向眼睛和臀部所覆盖的区域内的前置摄像头。在目前的设计中，来自除霜器和IP格栅的空气主导流量并作为原动机，并且随着侧面空气的夹带，它们决定了窗户关闭时舱内的流动事件。另一方面，内部几何形状和阻塞决定了流动特征的形状和强度，并且所得到的流体运动是强烈的三维的。

来自除霜器通风口的流动沿挡风玻璃的中心沿着隔间的顶部向上行进，并且在前座上方撞击在后座上，导致停滞区域。从这个停滞区域，流动在横向方向上增加，并通过跟随舱室的内壁返回到舱室的前部。图5显示了车辆模型内的主要内部流程结构。

挡风玻璃上预测的速度轮廓如图4所示。局部速度大小由最大速度（6.5 m / sec）归一化，应注意轮廓线仅代表速度幅度。可以看出，挡风玻璃下部的高速度区域是明显的，标准化速度值为1，从仪表板上的除霜器喷嘴偏转。然而，在挡风玻璃的上部，速度大小减小到0.375。在挡风玻璃的下部和仪表板上的除霜器喷嘴附近观察到高速流动（因为驾驶员在该区域的视野至关重要）。在挡风玻璃的最高部分，流量减少到几乎零速度。图4b示出了实验速度轮廓和预测结果的相似性。此外，风挡玻璃内侧的计算温度分布很好地提取了清除图案的主要特征。如图4c和4d所示，通常，在挡风玻璃上的热流的计算和测量模式之间存在相当强的相关性。

图5示出了在除霜模式下在驾驶员一侧在AA节（见图1）中拍摄的乘客舱中的气流分布。在挡风玻璃附近和车辆上部可以看到高速区域。当除霜器和登记器打开时（图5b），速度大约为0.08的高度循环流动在驾驶员的脸部和胸部附近是明显的，并且明显地对驾驶员的热舒适性产生不利影响。在驾驶员和仪表板之间产生大的涡流。这种涡流是由除霜机引擎驱动的，并且从脚部引导空气，这是由于灰尘和气味被提升到舱内而引起的不良现象。

图四：清除图案和温度轮廓的比较，a计算的速度轮廓，b测量的速度轮廓，c计算温度调节，d测量的温度轮廓

图五：A-A计划的速度轮廓（图1）。a速度轮廓（除霜模式）。b速度轮廓（除霜喷嘴和I-P注册模式）

1. 结论

本研究表明，计算流体动力学可以成功应用于分析通过汽车防风罩的流体流动和热传递。使用CFD，确定与车辆挡风玻璃相邻并且在乘客舱内部的流动轮廓。

预测结果与通过热成像技术获得的挡风玻璃上的实验清除图案和通过热灯泡探针测量的速度图案非常一致。

目前研究的结果突出了现有的驾驶员视觉设计和汽车驾驶室内热舒适性的一些缺点。

参考文献：

[1]Stouffer and Sharkitt (1987), Air Sweep defroster Patent No US 4644

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