风窗玻璃霜雾结解过程传热及其解化特性研究

论文摘要

结霜与结露现象广泛存在于航空航天、汽车、制冷与低温工程、热泵系统等领域。附着于飞机和汽车风窗玻璃上的霜雾会严重影响飞机与汽车行驶的安全性与舒适性。冷壁面霜雾的存在不仅会使热力系统传热系数降低,还会减小制冷能力、加大能耗,严重时甚至使系统堵塞、停止工作。研究霜雾结成与解化过程、特别是风窗玻璃上霜雾的解化消除特性、寻求最佳解化方法是非常必要的,是汽车和航空航天装备安全化的重要保证,具有十分重要的工程意义,并已经成为VHVAC (Vehicle Heating Ventilating and Air Conditioning)主要研究方向。本文首先结合热力学、结晶学及成核理论对霜雾结解相变过程进行理论分析,从化学势、相变驱动力及临界半径等角度剖析了霜雾结成与解化机理。研究中提出把冷壁面温度低于水蒸气分压力所对应的汽固或液固相变温度作为结霜的判据,把水蒸气分压力高于三相点压力、且冷壁面温度低于露点温度作为结露的判据。本文在除雾过程分析中,基于雾滴单元的集群分析法建立雾滴蒸发模型,分析雾滴蒸发过程的热质交换,构建相关因素的数学关联关系。此外,从雾滴附着面积角度提出了除雾率概念,利用该参数衡量与评价除雾效果,实现除雾过程的量化处理。针对车辆风窗玻璃上频繁出现的霜雾,本文重点开展了霜雾解化特性研究。研究包括通过实验的验证性研究和借助数值模拟的拓展性研究。实验研究表明,采用内循环空气进行解霜时,启动阶段气流温度基本呈指数规律升高,而后期随着发动机冷却系统的稳定而气流温度逐渐趋于恒定。解霜过程中玻璃温度呈现明显的三段特性：融霜前的预热急升段、融霜过程的趋稳段、融霜后的再热升高段；当采用外循环空气除雾时,除雾气流温升相对缓慢,无明显阶段性。除雾过程中玻璃温度基本呈线性规律缓慢升高,但各位置升温速率差异较大,不像解霜过程那样有明显的阶段性特征,且经历时间较短。实验进一步表征了出风口结构、位置等因素对霜雾解化特性的影响。基于风窗玻璃霜雾结成现象、特征和传热传质过程,本文对前风窗玻璃外表面的解霜特性及其内表面的除雾特性建立物理模型、确定数值模拟计算方法,并结合实验开展模型模拟分析与验证。利用实验获得的出风温变特性曲线进行数值模拟,并与实验结果对比分析,从温变特性、温度场分布、液相率及解霜效果等方面验证了数值模拟的可行性,为后续开展拓展性模拟研究奠定基础。结合模型分析,本文创新性地剖析了玻璃表面作用及倾角对气流内聚性及解化特性的影响。事实上,风窗玻璃、风口结构(喷嘴型式、位置、角度等)及气流参数等直接影响霜雾解化特性及效果,诸多因素交织在一起。为此,研究工作对各因素影响特性进行梳理,通过对影响特性主要因素的辨识,循迹核心因素及其影响特性,提出多因素协同霜雾解化特性分析方法。霜层解化特性研究表明,玻璃弯曲程度虽然使气流产生内聚性,但对解霜效果影响很小。玻璃倾角对霜层解化特性及解化效果具有明显影响,存在最佳倾角；风口结构因素对改善气流的流变性、实现最佳的协同解化特性、获得良好的解霜效果影响也较大。喷嘴型式直接涉及气流的流动与扩散,影响解霜效果。喷嘴位置对解霜快慢有一定影响,尤其是在玻璃倾角较小情况下并非喷嘴距玻璃下沿距离越小越好,存在最佳位置。喷嘴导流角直接涉及解霜气流的碰撞角与平面角,对解霜特性及解霜效果影响较大,存在最佳角度范围。最佳角度受玻璃曲面弯曲程度、倾角、喷嘴型式、位置等多种因素影响,要综合分析。可以通过调整碰撞角及平面角来改善气流分配,以获得最佳解霜效果；气流速度与温度对玻璃表面温变特性、解霜效果、耗时、运行经济性及热舒适性等存在更为明显的综合影响,存在最佳流速与温度范围。由于风窗玻璃上霜雾结解过程存在巨大差别,雾层解化特性不同于解霜过程。本文借助基于雾滴单元的集群分析法实现点面结合,对除雾过程的时变性影响因素进行分析。研究发现,基准工况下雾滴蒸发时其半径基本以线性衰减,引入的除雾率以指数关系递增,且接近气流冲击的雾滴蒸发最快。除雾气流温度对除雾解化特性具有明显影响：在常规气候和车内条件下,采用冷气流与同温气流除雾时各点雾滴半径仍然呈线性关系,而采用热气流除雾时却表现非线性特征；气流温度对远离冲击点的雾滴蒸发速度影响较大；在除雾气流相对湿度相同时采用冷气流除雾效果明显好于同温气流及热气流除雾效果,且采用热气除雾的效果最差、甚至加重结雾；而在除雾气流含湿量相同时,适当加热气流可以使除雾效果明显好于同温气流及冷气流除雾情况,且冷气除雾效果最差。除雾气流的相对湿度直接影响到除雾的响应程度,相对湿度越小除雾越迅速。随着气流流量的增加,雾滴蒸发加快,但在大流量时这种影响程度变小,并存在最佳流量值。结合经济性与舒适性,采用相对较低流量100m3/h～200m3/h足以满足除雾要求,且有利于减少功耗、噪声及对车内流场与温度场的影响。除雾研究还表明,车内参数对远离冲击区域的雾层解化特性具有一定影响。车外空气参数直接影响冷表面温度及换热能力,进而影响除雾特性。风窗玻璃对除雾特性的影响主要是由玻璃倾角造成的,其表面作用对除雾性能影响较小；玻璃倾角对玻璃上下角部除雾特性会产生截然相反的影响,即玻璃倾角越大,玻璃上角点除雾越快,而下角点除雾却越慢、甚至不能除雾,存在最佳倾角。雾滴初始半径仅对各点除雾耗时产生明显影响,而对各点雾滴半径缩减速率影响不大。当外界气候条件不同时应采取不同的除雾策略,以获得有效、快速、经济、适合的除雾过程。综上所述,本文利用理论分析、实验研究与数值模拟等手段对霜雾结解过程进行深入的理论分析、对风窗玻璃外表面的解霜特性及内表面的除雾特性进行了系统研究,进一步辨识了相关因素的影响。该研究为优化风窗玻璃霜雾解化方案提供有利的帮助和技术参考,为车辆等工程实施更加有效的自动智能霜雾解化控制研究奠定基础,特别对汽车雾层解化特性研究和控制起到重要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究工作背景
• 1.2 霜雾结解研究进展
• 1.2.1 霜雾生长过程
• 1.2.2 霜层物性
• 1.2.3 霜层模型
• 1.2.4 霜雾抑制
• 1.2.5 霜雾解化
• 1.3 车辆风窗解霜研究状况
• 1.3.1 国外风窗解霜研究
• 1.3.2 国内风窗解霜研究
• 1.4 车辆风窗除雾研究状况
• 1.4.1 国外风窗除雾研究
• 1.4.2 国内风窗除雾研究
• 1.5 本文研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 风窗霜雾结解过程理论分析
• 2.1 霜雾结成条件
• 2.1.1 冷壁面
• 2.1.2 风窗玻璃
• 2.2 霜雾结成过程
• 2.3 霜雾结成分析
• 2.3.1 相平衡分析
• 2.3.2 结雾过程
• 2.3.3 结霜过程
• 2.4 风窗除雾过程分析
• 2.4.1 玻璃表面雾滴分布
• 2.4.2 雾滴初始半径
• 2.4.3 雾滴模型建立与分析
• 2.5 风窗霜雾结成过程抑制
• 2.6 风窗解霜过程传热分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 车辆风窗霜雾解化实验研究
• 3.1 实验系统概述
• 3.2 解霜实验研究
• 3.2.1 实验方法与实验工况
• 3.2.2 实验结果与分析
• 3.3 除雾实验研究
• 3.3.1 实验方法与实验工况
• 3.3.2 实验结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 风窗霜雾解化模型建立与其验证
• 4.1 解霜过程数值方法
• 4.1.1 流动控制方程
• 4.1.2 凝固/解化模型
• 4.1.3 近壁区处理
• 4.1.4 求解区域及网格划分
• 4.1.5 边界条件及计算收敛
• 4.2 除雾过程数值方法
• 4.2.1 流动控制方程
• 4.2.2 近壁区处理
• 4.2.3 求解区域及网格划分
• 4.2.4 边界条件及计算收敛
• 4.3 霜雾解化模型实验验证
• 4.3.1 解霜模型实验验证
• 4.3.2 除雾模型实验验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 解霜过程气流结构影响特性研究
• 5.1 风窗玻璃影响特性分析
• 5.1.1 玻璃表面作用
• 5.1.2 玻璃倾角影响
• 5.2 风口结构影响特性分析
• 5.2.1 喷嘴型式影响
• 5.2.2 喷嘴位置影响
• 5.2.3 喷嘴导流角影响
• 5.3 气流参数影响分析
• 5.3.1 解霜气流速度影响
• 5.3.2 解霜气流温度影响
• 5.3.3 初始温度影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 风窗除雾过程气流结构影响特性研究
• 6.1 除雾初始状态分析
• 6.1.1 结雾判别
• 6.1.2 除雾初始状态分析
• 6.2 基准工况下除雾特性分析
• 6.2.1 基准工况
• 6.2.2 特征点选取
• 6.2.3 基准工况除雾特性
• 6.3 气流结构影响特性分析
• 6.3.1 空气参数影响
• 6.3.2 风窗玻璃影响
• 6.3.3 雾滴初始半径影响
• 6.4 除雾基本控制方案选择
• 6.4.1 淋雨态
• 6.4.2 非淋雨态
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 作者简介
• 科研成果
• 科研项目
• 后记及致谢