0 前言
当驾驶室挡风玻璃温度低于水蒸汽的凝固点时，其外侧会形成霜，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迫在眉睫。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，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。
1 数学模型
除霜分析是一个非稳态计算过程，其控制方程为N-S(Navier-Stokes)方程：
式(1)中，ρ是密度；φ是通用变量；Γ是广义扩散系数；S是广义源项。
除霜过程中驾驶室挡风玻璃受到热空气的冲击，将热量传递到玻璃外侧的霜层上。当霜层上的热流能量超出了霜层初始的能量时，霜层开始融化。其能量方程为：
式(2)中，ρ是密度；H是焓；v是流体速度；S是广义源项。
霜层初始能量的计算公式为：
式(3)中，Eini是霜层初始能量；ρi是霜层密度；t是霜层厚度；A是边界面积；Cp是比热容；T是温度；L是潜热。
边界热流的计算公式为：
式(4)中，Cemp是经验系数；qw是边界热流。
2 物理模型和网格划分
除霜分析的计算模型主要包括驾驶室、玻璃和霜层等。本文最大可能的保留驾驶室内部特征，并对出风口和玻璃进行网格加密处理，如图1所示。
图1 出风口和玻璃处网格划分
本文使用Hypermesh软件划分面网格。将面网格输出为stl文件后导入到STAR-CCM+中生成体网格，同时在玻璃表面外发现防线拉伸5层共6mm的体单元，霜层厚度为0.5mm。本文中体网格数量约为500万，局部网格形式如图2所示。
图2 模型局部网格
本文中定义驾驶室内初始温度为255K，定义入口边界为速度入口(Velocity Inlet)，速度大小为6.6m/s。入口处空气温度随时间变化，变化趋势如图3所示。定义出口边界为分离流动(Flow-splitOutlet)，分离比率为1。定义壁面为光滑固壁。
图3 入口处空气温度变化曲线
3 分析结果
通过计算得到挡风玻璃表面速度云图如图4所示，从图中可以看出挡风玻璃上风速分布比较均匀，B区上边缘处风速处于3m/s以上，能较好地满足除霜的需求。
图4 挡风玻璃上速度云图
图5给出了除霜过程中整个驾驶室内部的流线。从图中可以看出，热空气由除霜出风口直接喷射于挡风玻璃表面，且较为均匀地覆盖了整个挡风玻璃。由于驾驶室内部流速普遍较低，不会对乘员造成不舒适感。
图5 驾驶室内部流线
图6得出了20min、25min和40min不同时间点的除霜效果，深蓝色区域为霜层厚度为0的区域，表明该处已完成除霜。
图6 不同时刻(t)霜层厚度分布图
GB 11555-94要求除霜开始后20min时，至少应将A区的80%面积的霜除净；25min时，至少应将A＇区的80%面积的霜除净；40min时，至少应将B区的95%面积的霜除净。由图6可以看出，本文除霜效果较为理想，在25min时A区和A＇区霜层已除尽，B区除霜面积已达到90%以上，在30min时B区除霜面积己超过95%，完全满足相关国家标准要求要求。
4 结论
(1)本文通过对某重型车驾驶室挡风玻璃进行除霜分析，得出出风口喷射出的暖风均匀覆盖于挡风玻璃表面，且驾驶室内部风速较低，不会令乘员产生不适。
(2)依相关国家标准要求对除霜效果监测，20min时除尽了A区80%面积的霜，25min时除尽了A＇区的80%面积的霜，30min时B区除霜面积达到95%以上，满足标准要求。
(3)数值模拟整个除霜过程，避免了试验方法周期长费用高的不足，为重型车的除霜系统设计提供参考依据。
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