专利名称：一种验证汽车空调除霜性能的截面分析方法
技术领域：
本发明涉及汽车设计领域，具体涉及一种验证汽车空调除霜性能的截面分析方法。
背景技术：
在冬季，车窗玻璃上往往会覆盖一层霜，影响了驾驶员的视野，极大的影响了行驶的安全性。因此有效的除霜系统是十分必要的。
目前国内试制样车的除霜性能验证工作主要分为两种方法。第一种方法是在设计后期进行，通过环境舱内的除霜试验来进行验证。第二种方法是在设计初期，在数字样车阶段进行三维CFD仿真技术进行模拟分析。这两种方法都存在一定的弊端。试验方法无法对样车的除霜性能进行预测，这样就给后续的工作带来很大的风险和困难。并且试验所需的环境模拟室造价昂贵，试验费用较高。三维仿真需要大量的实体数模，分析周期长，工作量大。发明内容
本发明的目的在于提供一种验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，利用很短的时间，在设计前期就可以对汽车空调的除霜性能进行验证。
在设计前期，对关键部件的截面线进行必要的简化和处理，然后进行正确的离散化，提炼、简化出实车除雾的物理机理，利用专用软件对除雾过程进行模拟计算，得出正确的计算结果。
利用商业CFD (计算流体动力学)软件STARCCM+，对空调风道系统的截面进行分析，预测空调系统除霜性能。相比于传统的三维仿真分析，截面分析周期短，分析费用低，不需要非常详细的实体数模，根据计算分析结果在设计初期就可以对除霜系统进行预测和改进。
具体技术方案如下
一种验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，采用如下步骤一种验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，采用如下步骤
(1)确定汽车空调除霜性能验证的关键部件；
(2)进行几何模型处理，确定步骤(1)中所述关键部件的截面轮廓线；
(3)将处理好的截面线模型生成网格，将实际样车模型转化为可以进行计算的网格模型；
(4)对生成的网格模型进行分析；
(5)对除雾过程进行模拟计算，得出计算结果。
进一步地，步骤(1)中所述关键部件以及步骤O)中所述的截面轮廓线为空调系统除霜风道、空调系统的除霜风道截面轮廓线、IP、IP截面轮廓线、HVAC、HVAC截面轮廓线(除霜模式)、前挡风玻璃、前挡风玻璃截面轮廓线、顶棚内饰护板件(靠近前挡风玻璃一侧)、顶棚内饰护板件(靠近前挡风玻璃一侧)截面轮廓线。
进一步地，步骤O)中，进行除霜截面分析需要提取典型截面，对步骤(1)中提到的各关键部件提取截面，截面取Y = 0，进而得到截面轮廓线(或者将各部件投影到Y = 0 平面)。将所有的截面轮廓线进行必要的简化、缝合，共同组成一个封闭的空间区域。
进一步地，步骤(3)中，对已经处理好的截面轮廓线进行网格划分。步骤O)中， 关键部件的截面轮廓线组成了一个封闭的空间。网格划分就是把该封闭空间按照一定尺寸划分成很多的子区域，如附图2所示。这样，整体空间上的控制计算方程就可以转化成每个子区域上的代数方程组。于是尺寸很小的大量连续的子区域模型就可以表示实际的样车模型。这个过程就是离散化过程。
各关键部件采用5mm的尺寸进行划分，划分后平面内生成的网格即为步骤中分析所需要的体网格。
进一步地，步骤(4)，(5)中，利用商业计算流体动力学CFD软件STARCCM+，对空调除霜风道系统的截面进行截面分析，预测空调系统除霜性能。
进一步地，步骤0)，(5)中，在STARCCM+软件选取计算模型和计算条件进行计算。
选用STARCCM+中的RNG k-epsilon model湍流模型，用来处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。
进一步地，步骤(5)中的计算条件包括除霜风道进口风量，其范围在300m3/h 500m3/h 之间。
进一步地，由风道进口风量算出风道出口平均流速，再按照截面模型中出进口尺寸比例，换算得出截面分析中进口流速。
进一步地，出口采用压力出口条件，即出口的压力和大气压相同(1.01 X IO5Pa)。
与目前现有技术相比，本发明进行仿真分析时，不完全利用三维数模，而是利用关键部件的有效截面进行分析。
图1为截面分析的完整模型
图2为体网格模型
图3为除霜效果图
图4为速度对比图
图5为Al5体网格模型
图6为A15除霜效果图具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
1、模型处理和生成网格
1. 1几何模型处理
确定关键部件的截面轮廓线，其中包括空调系统的除霜风道截面轮廓线、IP截面轮廓线、HVAC截面轮廓线(除霜模式)、前挡风玻璃截面轮廓线、顶棚内饰护板件(靠近4前挡风玻璃一侧)截面轮廓线。IP上出口如有较为明显的长格栅，则也需加上格栅截面轮廓。以上部件的截面均选取Y = O的截面。
1. 2网格的生成
将处理好的几何模型进行离散化、生成网格。
进行除霜2D分析需要典型截面，在此一般近似认为是Y = O截面。(或者将风道投影到Y = 0截面)。由于截面分析是属于二维分析，相比传统CFD分析减少一个维度，因此模型量大大减少。
各部件均采用5mm的尺寸进行划分。
平面内生成的网格即为分析所需要的体网格。
这一步的过程主要是将实际的样车模型转化为可以进行计算的网格模型。
2、计算模型和计算条件设定
上一个步骤生成了可以用于计算的网格。这个步骤是对除霜的物理过程进行提炼和必要的简化，然后利用STARCCM+软件选取与这个物理过程相吻合的计算模型、计算条件，进行计算。
除霜物理过程分析
空调产生的暖风经过除霜风道的传送，然后吹向汽车前挡风玻璃，使玻璃外侧的霜层融化掉。暖风在除霜风道中的流动可以认为是空气的不可压流动；暖风将热量传递给玻璃的过程认为是典型的对流换热过程。
计算条件处理
除霜风道进口条件采用给定的设计风量。不同的车型会有不同的设计风量，一般的风量范围在300m7h 500m7h之间。
定义入口速度时要注意，要根据入口出口尺寸大小进行换算，需要确保在2D情况下风道出口的流速与3D情况下流速相当，这样才能保证玻璃壁面流动的真实性。通常方法是由3D流量算出风道出口平均流速，再按照2D模型中出入口尺寸比例，换算得出2D分析中入口流速。
出口采用压力出口条件，即出口的压力和大气压相同(1.01 X IO5Pa)。
附
STARCCM+是由英国帝国学院提出的通用流体分析软件。STARCCM+软件是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用CFD软件。广泛应用于航空、汽车、机械、水利等领域。其主要的模拟能力包括不可压流动和可压流动；稳态分析和瞬态分析；多相流；空化流等。
暖风在风道中的流动属于湍流流动。湍流流动是自然界常见的流动现象，同时湍流流动是一种高度非线性化的复杂流动。由于湍流本身的复杂性，很难进行直接计算，人们提出了很多种的湍流模型来模拟真实的湍流流动。STARCCM+中包含了很多湍流模型。本次分析选用了其中的RNG k-epsilon model湍流模型。RNG k-epsilon model湍流模型可以很好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，可以很好的处理管道内的流动。
3、计算结果处理
图3为计算得出的除霜效果图，图上显示的是玻璃上速度分布。根据速度分布图， 就可以判断除霜系统工作时霜层融化的趋势，速度大的地方融霜过程快，速度低的地方融霜过程慢。
4、具体实施例
已上市的某款三厢车(公司内部代号A15)的除霜性能验证
根据上述的具体实施步骤，对A15的除霜风道模型、仪表板模型、前挡风玻璃模型、乘客舱模型进行几何清理，然后根据具体的网格尺寸标准生成网格。
计算条件的设定出口条件、乘客舱计算条件设定、玻璃计算条件设定、霜层计算条件设定均相同。除霜风道进口条件根据设计部门提供，具体设定为350m3/h。
计算完成后，计算结果显示。
注
1、IP (Instrument Panel)为汽车仪表板的英文缩写。汽车仪表板总成包括了很多相关零部件。
本专利中提到的IP是指上仪表板部件。
2、HVAC(Heat，ventilation and Air conditioning)是汽车空调箱的英文缩写。
3、网格划分和空间离散化
使用基于有限体积法的离散方式。其总体思路是将截面轮廓线内的空间区域划分成大量连续的网格，每个网格节点周围都有一个互不重复的控制体积。确定每个子区域中的节点位置和节点所代表的控制体积。将待解的控制方程对每一个控制区域积分，从而得到一组离散方程。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，其特征在于，采用如下步骤(1)确定汽车空调除霜性能验证的关键部件；(2)进行几何模型处理，确定步骤(1)中所述关键部件的截面轮廓线；(3)对关键部件的截面线处理后的几何模型进行离散化，并生成网格，将实际样车模型转化为可以进行计算的网格模型；(4)对关键部件的有效截面进行分析；(5)对除雾过程进行模拟计算，得出计算结果。
2.如权利要求1所述验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，其特征在于，步骤(1)中所述关键部件以及步骤O)中所述的截面轮廓线为空调系统除霜风道、空调系统的除霜风道截面轮廓线、IP、IP截面轮廓线、HVAC、HVAC截面轮廓线(除霜模式)、前挡风玻璃、前挡风玻璃截面轮廓线、顶棚内饰护板件(靠近前挡风玻璃一侧)、顶棚内饰护板件(靠近前挡风玻璃一侧)截面轮廓线。
3.如权利要求1或2所述验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，其特征在于，步骤 (2)中，进行除霜截面分析需要提取典型截面，对步骤(1)中提到的各关键部件提取截面， 截面取Y = 0，进而得到截面轮廓线(或者将各部件投影到Y = 0平面)。将所有的截面轮廓线进行必要的简化、缝合，共同组成一个封闭的空间区域。
4.如权利要求1-3中任一项所述验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，其特征在于，步骤(3)中，对已经处理好的截面轮廓线进行网格划分。步骤O)中，关键部件的截面轮廓线组成了一个封闭的空间。网格划分就是把该封闭空间按照一定尺寸划分成很多的子区域，如附图2所示。这样，整体空间上的控制计算方程就可以转化成每个子区域上的代数方程组。于是尺寸很小的大量连续的子区域模型就可以表示实际的样车模型。这个过程就是离散化过程。各关键部件采用5mm的尺寸进行划分，划分后平面内生成的网格即为步骤 (4)中分析所需要的体网格。
5.如权利要求1-4中任一项所述验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，其特征在于，步骤G)，(5)中，在STARCCM+软件选取计算模型和计算条件进行计算。
6.如权利要求5所述验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，其特征在于，选用 STARCCM+中的RNG k-epsilon model湍流模型，用来处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。
7.如权利要求1-6中任一项所述验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，其特征在于，步骤(5)中的计算条件包括除霜风道进口风量，其范围在300m3/h 500m3/h之间。
8.如权利要求7所述验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，其特征在于，由3D流量算出风道出口平均流速，再按照2D模型中出进口尺寸比例，换算得出2D分析中进口流速。
9.如权利要求8所述验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，其特征在于，出口采用压力出口条件，即出口的压力和大气压相同(1. OlXlO5Pa)。
全文摘要
本发明涉及一种验证汽车空调除霜性能的截面分析方法，采用如下步骤确定汽车空调除霜性能验证的关键部件；进行几何模型处理，确定所述关键部件的截面轮廓线；对关键部件的截面线处理后的几何模型进行离散化，并生成网格，将实际样车模型转化为可以进行计算的网格模型；对关键部件的有效截面进行分析；对除雾过程进行模拟计算，得出计算结果。
文档编号G06F17/50GK102508939SQ201110289339
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者付永宏 申请人:奇瑞汽车股份有限公司