应用star CCM+进行除霜分析
某重型车前挡风玻璃除霜分析及结构优化
某重型车前挡风玻璃除霜分析及结构优化作者：张克鹏运伟国来源：《CAD/CAM与制造业信息化》2014年第10期通过CFD方法对某重型车空调除霜性能进行了分析，得到前挡风玻璃上的速度分布、驾驶室内流场分布及不同时间的霜层厚度，进而对除霜出风口进行优化设计。
对优化后的结构再次进行除霜分析计算，结果表明，优化除霜出风口后的除霜效果能很好地满足国家相关标准要求，分析方法及结果能够为重型车的空调除霜系统设计提供理论依据。
一、引言当驾驶室挡风玻璃温度低于水蒸汽的凝固点时，玻璃外侧会形成一层霜，霜的存在会严重影响驾驶员的视野。
因此，车辆除霜性能是否达到相关国家相关标准要求是衡量整车性能好坏的一项重要指标。
国家标准要求在规定的时间内除掉一定范围内的积霜。
要达到这项要求需要保证从出风口喷出的暖风能较均匀地分布在挡风玻璃上。
目前对于车辆除霜性能的研究主要集中在小轿车和轻型客车方面。
随着经济的发展，市场对重型车的需求日益增大，对于重型车除霜性能的研究也比较迫切。
本文运用STAR-CCM+流体仿真软件对某重型车驾驶室挡风玻璃的除霜过程进行数值模拟，得到该重型车的除霜性能，并根据分析结果对原结构进行优化改进，避免了由于传统试验所造成的浪费，为重型车的除霜系统设计提供参考依据。
二、控制方程车辆挡风玻璃除霜过程中，驾驶室内流场达到稳定状态的时间比通过挡风玻璃的传热融冰需要的时间短，所以一般通过2个步骤进行除霜性能模型：（1）通过连续性方程和能量方程的求解，确定除霜出风口和驾驶室内的稳态求解过程；（2）从流场的稳态求解获得能量方程的瞬态求解来计算整个流场区域的瞬态温度场和冰层的融化情况。
1.稳态流动模型除霜出风口和驾驶室内的壁面是非剪切边界，考虑到湍流的影响，文中选用STAR-CCM+中提供的Realizable k-ε湍流模型进行数值计算。
湍流控制方程为三维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程。
为了使方程组封闭，必须对雷诺应力做出假设，即建立应力表达式或引入新的湍流模型方程，通过这些表达式或湍流模型，把湍流的脉动值与时均值联系起来。
基于STAR-CCM+的汽车挡风玻璃除霜性能提升的仿真分析与研究
第32卷 第1期 苏州市职业大学学报 V ol .32，No .1 2021年3月 Journal of Suzhou V ocational University Mar . ，2021基于STAR -CCM+的汽车挡风玻璃除霜性能提升的仿真分析与研究胡忠文（苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104）Simulation Analysis and Study on the Improvement of Vehicle Windshield Defrost Performance Based on STAR-CCM+HU Zhongwen(School of Mechano-electrical Engineering ，Suzhou Vocational University ，Suzhou 215104，China)Abstract ：Using CFD method ， numerical simulation analysis was carried out on the defrosting performance of the windshield on a certain vehicle with the help of software STAR-CCM+. By adjusting and modifying theair outlet grille ， the collision angle and the position of the collision point between the warm air flow and thewindshield are changed . The distribution of the warm air flow on the windshield surface is optimized ， and thedefrosting performance is improved ， which provides a reference for the design of the automobile defrostingduct and the improvement of the vehicle defrosting performance .Keywords ：windshield ；defrosting performance ；computational fluid dynamics （CFD ）；air outlet grille 车辆挡风玻璃的除霜性能是汽车强制性评价指标之一，它直接影响到汽车行驶状态下驾驶员和乘客的视野、安全性和舒适性。
水道STARCCM分析过程
水道STAR-CCM+分析过程一、前处理1、导入面网格选择面网格文件导入模式，选择创建新零部件，其他保持默认下图为导入的水道的几何视图PRT001在零部件中的上，右键，选择修复表面保持默认设置点击右下方的执行，查找有问题的面下面两幅图是显示的有问题的面或者线，其中的2和3是无关紧要的，取消勾选，并且可以看出第1项（穿刺面）有一个错误，从下面的第三幅图也可以看出。
一定要做但是很基础，有穿刺的面（关于表面的修复是个比较费时且复杂的活，好）通过观察把相应的面删除选中需要删除的面之后，点击删除面，ctrl键，并多选这几条曲线（需要构成一个回路）下图为删除之后的面，按住选择填充孔，就可以把这个面补上。
下图为填上的面，此时穿刺面已经没有了，并且没有自由边了。
2、拆分表面因为建立这个模型的时候，表面分的比较多，所以可以先合并表面，在拆分表面之前，把所有的表面全部选上，右键，点击结合。
有两种方法可以拆分表面方法1 直接在表面选择以角度分割选择根据角度进行分割70（根据模型的形状进行设定，根据经验）点击确定把角度改成下图为根据角度分割出的六个表面（一会还有根据表面的类型和用途，进行合并）下图是把表面按类型进行结合和重新命名之后的图方法2 在修复表面里进行表面拆分右键零部件PRT0001，点击修复表面选择一个面（双击一个面，软件会自动的根据一些规则把这个面全选上）在组织里，按图中的设置勾选，点inlet）点击新建，会出现右边的对话框，输入这个面的名字（在这里命名为击确定。
点击修改，即可储存这个零件表面命名的设置其他几个面和这个方法一样，不再赘述。
．如果有零件没有出现，可能是由于以下几种原因可能是几何场景没有打开，双击即可打开几何场景，并且要检查几何和轮廓的可见性，在几何和轮廓右击，即可切换可见性。
如果看到几何场景已经打开，但是看不到零件拖拽零件到几何场景中，释放鼠标，选择添加到几何（几何是三维表面图，轮。
廓是轮廓线）如果单一表面不出现，也是通过拖拽进行显示的。
基于某长头车除霜风道性能分析与优化
52 建筑机械基于某长头车除霜风道性能分析与优化刘家妩，袁志宏，金 开，邢 超，杜亮亮（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）［摘要］通过Hypermesh 软件与STAR -CCM+软件对某长头车风窗玻璃进行分析，并给出相应速度参考指标。
该指标可以间接快速评判除霜效果，从而快速评价风道设计性能优劣。
对风道优化前后进行分析计算，并通过试验验证优化后除霜风道除霜区域得到明显改善。
该方法能够有效降低试验次数，缩短产品开发周期，为长头车空调除霜系统设计提供理论支撑。
［关键词］长头车；风窗玻璃；风速指标；风道设计［中图分类号］U461 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2020）08-0052-04Performance analysis and optimization of defrosting based on a long head vehicleLIU Jia -wu ，YUAN Zhi -hong ，JIN Kai ，XING Chao ，DU Liang -liang汽车除霜性能不仅是衡量空调性能的重要指标，而且直接影响驾驶员的视野情况和驾驶安全。
传统的空调设计主要依赖工程师的经验，设计完成后再进行试验，并且优化方案不能得到及时验证，产品设计周期长，成本昂贵，具有很大局限性。
目前产品开发引入仿真技术，CFD 技术的应用使得产品开发周期大大缩短，能够快速验证设计的合理性，降低产品开发成本。
另外，目前汽车除霜除雾的分析大部分基于乘用车，对长头车的除霜分析鲜有涉及。
因此本文使用STAR -CCM+软件以某公司长头车为例，通过制定出风口风速指标对风窗表面流速进行分析，提出改进方案并进行优化，最后通过试验验证。
本文对长头车的除霜设计与风道、格栅优化有着重要工程价值和意义。
1 理论基础除霜分析计算的是一个定常、不可压缩的流体域，主要涉及到质量方程、动量方程和能量方程。
质量守恒方程也被称作连续性方程，为流体力学中三大基本定律之一，基本结构形式如下()()()0y x z ρu ρu ρu ρt x y z +++=∂∂∂∂∂∂∂∂x xyxy yy zyy yyz xz z zz τρu ττp ρu u ρf t xx y z ρu τττp ρu u ρf t y y y z ττρu τp ÑÑ+×=-+++++×=-++++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂其中 μx 、μy 、μz 分别为x 、y 、z 3个方向的速度分量，m/s ；ρ为密度，kg/m 3。
STAR-CCM+ 除霜教程
A 除霜模型介绍
Einitial = ρitA(c pT + L)
初始能量 霜层 霜层 边界 比热 温度 潜热 密度 厚度 面积
dloss = Cemp A * qw
霜层 厚度
经验系数 边界面积 边界热流
STAR-CCM+除霜(Defrosting) 解析教程第二版
09.05
CDAJ-China 北京 技术部
目录
1. 概述 2. STAR-CCM+除霜解析实例教程
2.1 解析模型介绍 2.2 解析方案 2.3 稳态解析设定 2.4 非稳态解析设定
附录
A 除霜模型介绍 B 如何拉玻璃层网格 C 国标《GB 11555-200×》
1 2 3
4 5
6
2.3 稳态解析设定_空气域物理模型设置 3
7 8
9
2.3 稳态解析设定_定义空气材料属性 1
2
1
2.3 稳态解析设定_定义空气材料属性2
用户可在此处修改空气属性参数
2.3 稳态解析设定_固体区物理模型设置 1
1
2.3 稳态解析设定_固体区物理模型设置 2
1 2
3 4
2.3 稳态解析设定_固体区物理模型设置 3
1 概述
l 霜的形成
Ø 当固体的表面温度低于周围 空气的露点，并低于水蒸气 的凝固点，那么在表面上就 会形成霜。在非常寒冷的天 气，车辆挡风玻璃外表面会 出现结冰现象。
1 概述
l 除霜的解析
Ø 采用CFD方法，对除霜过程进行动态仿真，可以帮助设计人员快速 获得： u 当前吹风口的除霜效果； u 不同结霜厚度下除霜的时间 u 影响除霜效果的原因
汽车除霜风道的数值模拟仿真及结构优化
一■●
１．０５８ ６ ３．１７５ ７
２．１１７ １
４．２３４ ３
５．２９２ ８
速度矢量／（ｒｒｄｓ）
原方案前窗的２个“死角”区域为低速区，这将会
影响除霜效果。与原方案相比方案１的低速区有了明
显的减小，部分气流已吹到了原来的“死角”区域，说明
么
改变风道的弧度对改善除霜性能方面能够起到一定的 积极作用。方案２去掉出口两端的直接部分，引导气流 直接沿着壁面冲出。方案３通过改变风道的几何形状 及出口导叶片的方向，气流吹过覆盖的面积变大，吹出 的气流得到了合理有效的利用（见图２和图７～图９）。
采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ一８湍流模型，稳态计算收敛后，瞬 态分析计算２５ ｍｉｎ，时间步长取１ ｓ，内迭代步数为２０步。
２结果分析
图２示出除霜风道原方案前窗玻璃附近速度云 图，由图２可以预测，Ａ区及Ｂ区除霜情况基本能够满 足法规要求［５１，但中间风道的气流大部分都吹到了前风 挡的中间区域，形成“扇形”的覆盖面（见图２）。气流分 布存在“死角”，即玻璃左下角及右下角气流吹过较少， 当前风道尚存在可优化的空间，具体体现在３个方面。 １）由于中间风道两侧的壁面与水平面的夹角（口） 较大（见图３），气流沿着壁面流动以较大的角度冲出风 道口，致使前风挡玻璃的左下角及右下角未有气流通 过，影响除霜效果。因此可改变风道两侧壁面的弧度， 减小口角，将气流导引到前风挡底部的两侧； ２）风道出口的两侧有一个直角区域（见图４），气流 吹到直角区域后产生了小的涡流，能量有所损失，速度 减小，因此可去掉直角区域并将其平滑过渡； ３）出风口的导叶片对气流能够起到很好的导引作用， 因此可以改变导叶片的角度，使气流得到较合理的分配。
１．２边界条件及介质属性设置 人口边界类型为Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｉｎｌｅｔ，速度为３．８７５
05-STAR-CCM+在空调系统中的快速优化应用
STAR-CCM+在空调系统中的快速优化应用 STAR-CCM+ Rapid Optimization and Application
To Air-conditioning System
杜雪伟、沈磊 (上海汽车商用车技术中心，上海 200438)
摘要：为了解决空调顶风道出风口出风量不均匀的问题，采用 CFD 方法对空调顶风道结构进行优化，
图 2 中通过将顶风道半透明显示，可以看到顶风道内阻流件的复杂分布情况。气流从右侧进入， 经过阻流件的阻挡作用，依次流出风道底部八个出风口。阻流件的分布情况直接影响到各出风口风 量分配的均匀性。
2010 年 CDAJ－China 中国用户论文集
进口
图 1 汽车车厢和顶风道模型
进口
阻流件
出风口
图 2 顶风道内部阻流件分布图
(2) 修改模型一、二、三针对原始模型的不足进行改进，其出风口风量分布均较原始模型有所 改善，尤其是修改模型三中个出风口出风量基本均匀，最大值和最小值相差 10.94%，基本满足设计 要求。
(3) STAR-CCM+软件以其友好的界面，强大的功能，能够在保证计算结果准确的同时大大缩短前 处理时间，并提高计算效率。在一天内就完成该顶风道全部分析和改进，效率较高。
本文以某商用车空调顶风道为案例，利用 STAR-CCM+对四种不同的风道结构进行分析，对原顶风 道结构进行优化，最终得到各出风口出风量分配基本均匀的顶风道结构。
2 顶风道物理结构模型简介
风道和车厢为左右对称结构，本分析取半个风道模型进行分析。车厢为简化模型，其长、宽、 高尺寸取自车厢实际尺寸。顶风道下方左右对称布置八个尺寸相同的出风口。图 1 为本分析的汽车 车厢和顶风道模型。顶风道安装在该商用车内饰上部。
STAR-CCM+优化分析功能简介
一般方法
几何 修改
网格变形
几何 导入
CFD 计算
时间
网格划分
面网格划分
体网格划分
节省的时间
CFD 计算
Morpher
方法二：CAD模型参数化+网格重构
• 以CAD模型的几何参数为设计变量 • 用Optimate/Optimate+来驱动CAD改变几何模型
– CAD-Client：CATIA、NX、SW、Pro/E、Inventor、SpaceClaim – 3D-CAD：Star-CCM+内置建模工具
© 2014 CD-adapco, All Rights Reserved.
Optimate and Optimate+
Optimate 自动化及DOE分析
• What if研究 • 参数扫描 • DOE分析
全自动化过程去探索产品 的性能
Optimate+ 设计优化
• 目标驱动的优化分析 • Pareto front 分析
•最优设计方案 - Cd = 0.27 8.5% - Cl = -0.0112 60.7% - Aero Pitch = 470 N-m
18.3%
方法一：小结
• STAR-CCM+ 内置的网格变形（MORPHER）可以用于改变设计，而不需要 重构网格
• 可以在早期设计阶段充分发挥工程是想象力，“创新无极限” • 使用网格变形（MORPHER）及OPTIMATE+可以有效达到“更好的设计，
SHERPA – 设计空间探索
Perf = { (Cd/BaselineCd)+(Cl/BaselineCl)+(AeroPitch/BaselineAeroPitch) }
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应用star CCM+进行除霜CFD仿真分析
严旭
长安汽车股份有限公司汽车工程研究院CAE所
摘要：本文以长安某车型除霜性能CFD分析为例，应用流体力学计算软件star CCM+建立其除霜风管及乘员舱模型，利用多面体网格对控制方程进行空间离散，应用稳态计算对比出两种不同前除霜格栅情况下的前窗速度分布，并选出一种较优方案，着重应用de-icing模块对该方案冰层的熔化过程进行瞬态模拟，最终得到冰层厚度随时间的变化情况。
关键词： 除霜 star CCM+ CFD分析 多面体网格 瞬态
CFD Analysis of De-icing by star CCM+
Abstract：The paper introduced the process of CFD simulation of De-icing of a Chang an vehicle by star CCM+, including geometry construction of pipe and cabin, generation of polyhedra, comparison of the performance of two pair of grille under steady cases and transient case for the better one.
Key words： de-icing star CCM+ CFD polyhedra transient
1 前言
作为汽车在寒冷环境下行驶时对驾驶员视野、行车安全的必要保障，空调系统除霜除雾性能是整车开发中一项重要的指标，我国汽车试验标准GB11555－94中对除霜除雾系统的性能有着严格的规定，该标准要求20分钟时A区冰层除尽区域占A区面积的80%以上，40分钟时B 区冰层除尽区域占B区面积的95%以上。
空调系统除霜是利用HVAC喷射出的暖风对玻璃进行加热，经过热量的传递，使玻璃表层的冰层逐渐熔化，从而达到恢复驾驶员视线，避免因视线受阻引起的交通事故的目的。
应用CFD分析可以在汽车设计开发过程中的数字样机阶段就预测各种方案的优劣，通过CFD 优化得出性能较好的方案，大大减少后期的物理样机制作和物理试验，从而缩短设计开发时间和降低开发费用。
因此CFD分析在汽车设计中具有举足轻重的作用，在前期开发和后期整改中都得到了广泛应用。
本文应用流体力学计算软件star CCM+建立长安某款轿车除霜风管及乘员舱模型，利用多面体网格对控制方程进行空间离散，应用稳态计算对比了两种不同前除霜格栅情况下的前窗速度分布，并选出一种较好的方案，着重应用de-icing模块对该方案冰层的熔化过程进行瞬态模
拟，最终得到了冰层厚度随时间的变化情况。
2 除霜原理
除霜过程主要包括以下四个步骤：
1. 气流从除霜风管吹入乘员舱，在乘员舱内形成一个相对稳定的流场，温度场则随气流进口边界条件的变化而不断改变；
2. 乘员舱内部温度场对玻璃内表面的温升造成影响，进而引起玻璃内表面和外表面之间的热传导；
3. 处于玻璃外表面的冰层接受到热量，当接受到的热量到达冰层潜在熔化热量时，冰层开始熔化；
4. 冰层与环境的外部热交换。
图1 常用空滤器结构
图1 冰层、玻璃及与环境热交换示意图
环境与壁面间的热交换可以用热传导和热辐射来描述：
ds T T h ice ext e c )(−=φ，)(44
ice r ext r T T −=εσφ （1） 其中，ice T 表示冰层温度，e h 表示热对流系数，ext T 表示环境温度，r ext T 表示环境辐射温度。
当壁面被内部气流加热时，热流就通过热传导和辐射的方式传递到壁面，也就是玻璃内表面，而玻璃内部的热传导是通过固体区域网格模拟，通过计算可以得到玻璃外表面的温度，当0<ice T ℃时，忽略冰层和玻璃外表面之间的热阻，近似认为玻璃外层的温度就等于冰层的温度，而当o
0=ice T 时，冰层开始在恒温下融化，而冰层从固体变为液体的质量是在每个单元里通过冰层能量平衡方程计算的：
cond r c d φφφφ−+= （2）
其中cond φ是指从玻璃外表面到冰层的热传导流量，通过上述能量平衡方程，可以算出已熔化冰层的质量密度]/[2
m kg dm 和冰层厚度的减小值δd ： L C d t dm φ⋅∆=，ice dm d ρδ= （3）
这里]/[kg J C L 是冰层熔化所需的热量，]/[3
m kg ice ρ是冰层密度。
冰层熔化成水后不再考虑该部分液体的流动情况，一旦冰层熔化，玻璃外表面就直接与外界环境进行热交换，玻璃温度也会随之上升，直到整个热传递达到平衡。
3 star CCM+在除霜分析中的应用
star CCM+具有界面友好，条款清晰，易于操作的特点，而且多面体网格具有良好的贴体性，可以更真实地模拟出风管、格栅及乘员舱的外形。
此外，多面体网格对网格数的依赖性也远远低于四面体网格，且收敛较快。
以下是运用star CCM+进行除霜稳态分析和瞬态分析的具体步骤。
3.1几何模型建立
应用前处理软件Hypermesh 对该车型乘员舱及除霜风管分别搭配图2、图3所示的两种格栅方案进行几何清理，形成封闭腔体，并生成表面网格，如图4
图2 格栅方案一 图3 格栅方案二
图4 乘员舱及除霜风管几何外形
3.2网格生成
将经前处理得到的外型导入star CCM+中，利用其自带的体网格划分功能，生成多面体网格约90万。
多面体网格具有良好的几何外形适应能力，能够较精确地反应格栅等细微区域的几何特征，如图5。
瞬态分析还需要在玻璃处向外法线方向拉伸5层共5mm厚的体网格，定义拉伸的网格为固体玻璃区域，并启用thin film模块，设定玻璃表面冰层的厚度。
如图6
图5 格栅处多面体网格
图6 瞬态分析网格模型
3.3边界条件及初始化
模型使用除霜风管的进口作为流量进口边界，稳态分析给定流量；瞬态分析给定流量及温度曲线，如图7，玻璃壁面采用热对流边界条件，外界温度取-18℃，其余壁面采用绝热边界条件。
出口处使用压力边界条件。
m/。
初始时计算域及外界环境温度均设为-18℃，整个流场速度设为0s
图7 进口温度曲线
3.4计算设置
采用RANS 方法，二阶离散精度，realizable ε−k 湍流模型，近壁采用high
y+壁函数处理。
瞬态分析时间总共为1500s，时间步长取10s，第一个时间步长内迭代步数为200步，以后每个时间步长的内迭代步数为25步。
3.5结果分析
3.5.1稳态分析
通过稳态计算，得到两套不同前除霜格栅方案下的前窗速度分布及风量分配，如图8、9、
10。
可以看到通过格栅片形状的调整，视野区域的速度明显增大，速度分布变得更加合理，因此选择方案2的格栅可以提高前除霜性能，同时可以看到风管的速度分布及压力分布，如图11、
12。
可见，在设计初期，需要横向比较多种方案时，通过CCM+仿真计算预测除霜除雾性能，是一种方便快捷、直观有用的手段，能够大大降低因设计方向错误导致的成本增加。
图8 方案一前窗气流速度分布 图9 方案二前窗气流速度分布
图10 风量分配
图11 风管速度分布
图12 风管压力分布
3.5.2瞬态分析
通过稳态计算结果的比较，挑选除霜性能较好的第二种格栅方案做瞬态除霜模拟，得到前窗冰层厚度随时间变化而变化的情况，如图13。
图13 前窗冰层厚度
从图中看出，前除霜能够在20分钟内除尽所有的冰层，能够达到20分钟除尽A区80%，40分钟除尽B区95%的国家法规要求。
侧窗没有强制的法规要求，但对于驾驶人员视野同样很重要，图14、15显示的是两侧窗在15分钟时的冰层厚度。
视野区域的冰层基本除尽，效果良好。
图14 15分钟时驾驶侧冰层厚度 图15 15分钟时副驾驶侧冰层厚度
小结
Star CCM+软件能够模拟计算除霜除雾稳态和瞬态过程，其独创的多面体网格拥有更强的贴体性，一键生成也让建模变得方便快捷，可视化后处理让用户轻松提取计算后需要的各项结果。
Star CCM+能够轻松地对风管、格栅等进行持续优化，在产品开发前期，对于指导产品设计具有方向性的重要利用价值。
参考文献
[1] 中国国家标准GB 11555-1994.汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求及试验方法.1994
[2] star CCM+除霜除雾教程。