基予Ｕ Ｇ的车灯热分析研究 口苟春梅 口陈昌明 口徐建斌 同济大学汽车学院上海 ２０００９３ 摘 要：基于ＮＸ６．０环境建立了概念车灯模型，采用高级仿真模块对车灯进行温度场和流场的耦合计算分析。在对计 算结果可信度做了相关评价的基础上，对车灯结构进行了优化设计。计算结果表明，改进后车灯内部流场改善，减轻了结雾 现象。 关键词：车灯内空气流场车灯内空气温度场耦合热流结雾现象 中图分类号：Ｕ４６３．６５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２０１０）１０—００３４—０３ 车灯的设计不仅对汽车的外形具有重要的影响， 其形状也同时影响到汽车的流线及外壁上的气流分 ２ ＮＸ热流建模过程 布。更重要的是，汽车车灯对汽车行驶的安全性能影响 本文通过ＮＸ６．０建立车灯简单概念模型并进行 很大，尤其是在雨雪、大雾等天气以及夜晚等光线条件 温度场和流场的耦合分析，其在ＮＸ中完成的主要建 较暗的环境下。 模过程见表１。 随着汽车的进步与发展，现代汽车技术不仅要进 表１ ＮＸ６．０热流建模过程 一步提升汽车性能，更重要的是，要保证汽车的安全 步骤编号 应用模块，文件类型 任务 性。因此，对于车灯的要求也日益提高，车灯的优化设 １ 建模，部件（．ｐｒｔ）文件 几何体建模、模型简化。 计也构成了汽车设计中重要的一部分。在传统车灯技 材料，网格划分和网格捕集器， 术中，所重视的是车灯的美观、亮度，即光学性能以及 高级仿真，ＦＥＭ（．ｆｅｍ） 如果正在对流进行建模，则可能 ２ 文件 需要先研究流体域网格划分（在 流线形状，现在对于车灯同样重要的还有流场与温度 下一步骤中），然后再对流体模 场的耦合对车灯热性能的影响。 型进行网格划分。 高级仿真，仿真（．ｓｉｍ） 解法选项，流体域网格划分，载 １ 车灯热分析研究 ３ 文件 荷、约束和仿真对象，解算，检查 解法消息。 热量传递有３种基本方式：热传导（Ｈｅａｔ Ｃｏｎｄｕｃ— ４ 后处理仿真（．ｓｉｅｒ）文件 检查和显示结果。 ｔｉｏｎ）、热对流（Ｈｅａｔ Ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）和热辐射（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒａ— ｄｉａｔｉｏｎ） 汽车车灯的传热过程涉及到多种传热方式，比较复 ３车灯流场和温度场分析 杂，从汽车车灯点亮一直到平衡时都是一个非稳态的过 ３．１模型的建立 程，本文将灯泡作为光源整体，不分析灯泡内部的传热 为了分析车灯温度场的分布，必须首先建立其分 过程（灯泡与车灯内部的传热过程如图１所示）。 析模型。根据实车车灯数据参数，在ＵＧ ＮＸ中建立其 ２０１０／１０ 机械制造４８卷 第５５４期 车灯自身存在许多细微的特征结构，以满足配光性 能，这些细微结构对温度场分析影响比较小。为了便于 划分单元，对车灯建模时进行了简化，主要体现在：对于 配光境内表面的波纹面进行抹平，去除外部的凸边，对 灯罩的形状进行简化，灯泡采用了一个尺寸相近的球体 进行替代等。 ３．２初始条件及边界条件的设定 配光镜 灯泡 表２车灯各部分材料属性 车灯结构 密度／ ｌ ２００ ２ ２２０ 比热容／ 热传导系数／ 吸收系数／ 反射率 （ｍ。。） ９３０ ８３１ （ｋｇ・ｍ－３） （Ｊ／ｋｇ‘Ｋ） ［ｗ／（ｍ・Ｋ）］ ｌ ２５０ ７４５ ０．３ １．３８ １．５７ １．５ 反光镜 ２ ７ｌ９ ８７１ Ｏ．７ Ｏ １ 表面加热后，气体在重力作用下沿着反光镜表面螺 流动上升，形成一漩涡后到达配光镜，并在车灯内逆 在进行分析之前，必须先定义初始条件以及边界条 件：车灯内灯泡为热源，可在灯泡处施加热载荷，灯泡功 率设定为２５ Ｗ，该车灯所用灯泡为石英卤素灯泡，在 额定功率下，２５％的能量转化为可见光，７５％的能量转 行循环。而在模型下部，空气流动缓慢，气流较少， 利于气体流动，从而造成流动的缓慢区，导致这个鏖 域气体交换少，湿气难以排出，并且与灯内外热量 化为红外线，以热的形式散发出去，因ｇｔ设定１８．７５Ｗ 作为灯泡的总热流。计算中采用流动模型和辐射模型， 空气对辐射的吸收率和散射率均设为０。 由于车灯与外界有热交换，因此需要设定对外界的 辐射和与外界的对流热交换，根据经验对参数进行取 值，分别设定角系数为１，对流系数为１５Ｗ／（ｍＫ）。施加 完约束后的车灯模型如图３所示。 ３．３材料定义及网格划分 在对模型进行网格划分前先定义模型中各部分的 材料属性。车灯模型由 ▲图３加载完成后的车灯模型 ｌＯ ▲图４划分网格后的车灯模型 Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ 多个部分组成，分别给 出各部分的材料特性， 如表２所示，并在ＮＸ材 料库中定义材料。 利用ＮＸ６．０里的自 （，） ｂ ：ｌ１１ｌＩ 动网格划分功能对现有 的车灯实体模型进行网 ｄⅡ 格划分，划分完成后如 图４所示。 ３．４车灯流场和温度场 媛 １０一 窭０ ０． ０ ｌ０ ２０ ３０ ４０ ５Ｏ ６０ ７０ ８０ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ 的求解 迭代次数Ⅳ ▲图５流分析（左图）和耦合分析残差（右图）曲线 ２ ４０３ｅ＋ＯＯ２ ２ ２２２ｅ＋００２ ２ ０４０ｅ＋００２ ｌ ８５８ｅ＋００２ ２ ０４２ｅ＋００２ １ ８５６ｅ＋００２ １ ６８８ｅ＋００２ ｌ ５２１ｅ＋００２ 迭代次数Ⅳ 根据以上设定的各 个参数，运行ＮＸ高级仿 真求解器，从迭代曲线 上可看出，在进行到７１ 次迭代后曲线收敛，其 迭代曲线如图５所示。 计算得到的车灯空 气模型部分截面内流场 ｌ ６７７ｅ＋００２ １ ４９５ｅ＋００２ １ ３１４ｅ＋００２ ｌ ｌ３２ｅ＋０Ｏ２ ９ ５０４ｒ＋００１ １ ３５３ｅ＋００２ ｌ ｌ８５ｅ＋００２ ｌ ０ｌ７ｅ＋００２ ８ ４９６ｅ＋Ｏ０１ ６ ８１８ｒ＋０Ｏｌ ５】４１ｅ＋０Ｏ１ ３，４６３ｅ＋Ｏ０１ １．７８５ｅ＋Ｏ０ｌ １ ０７８ｅ＋ＯＯ１ 分布和温度场分布如图 ６所示。 ７ ６８８ｅ＋Ｏ０１ ５．８７２ｅ＋Ｏ０１ ４ ０５６ｅ＋Ｏ０ｌ ２ ２４０ｅ＋０Ｏｌ 由温度场分布图可 见，靠近灯泡处温度较 高。从速度场分布图可 （ａ）温度场 （ｂ）速度场 看出，气体在被灯泡壁 ▲图６车灯空气模型 —ｚ平面温度场和速度场分布图 机械制造４８卷 第５５４期 ２０１０／１０国 Ｆｌｏｗ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ Ｏ０ ｌ０ ｂ ∽ 岂 图７ 开孔后的车灯模型 ｄ＝ 躁 蜒 换少，出现了低温 区，从而导致结雾 现象。 ３．５车灯进行开孔 优化过后的求 解及结果 ２ ４０４ｅ ４－００２ ２ ２２０ｅ＋００２ ２ ０３６ｅ＋ＯＯ２ ｌ ８５３ｅ＋００２ １ ６６９ｅ＋００２ １ ４８５ｅ＋００２ ｌ ３０２ｅ＋００２ １ １１８ｅ＋００２ Ｏ ２０ ４０ ６Ｏ ８Ｏ ｌ００ ｌ２０ ０ ２０ ４０ ６０ ８Ｏ １Ｏ０ ｌ２Ｏ 迭代次数Ⅳ 迭代次数Ⅳ ▲图８开孔后的流分析（左图）和耦合分析残差（右图）曲线 ２ Ｉ１Ｉ ＋ １ ９３５ｅ＋ Ｊ ７５９ｅ＋ １ ５８４ｅ十 １ ４０８ｅ十 对原有车灯模 型进行改进，在反 射镜上开两个散热 孑Ｌ，改进后的模型 如图７所示。 ｌ ２３２ｅ 】０５７ｅ＋ ８ ８ｌ２ｅ ７ ０５６ｒ ５ ３００ｅ＋ ３ ５４３ｅ １ ７８７ｅ＋ 计算时定义两 个小孑Ｌ为开孑Ｌ。其 ９ ３４６ｒ＋Ｏ０ｌ ７ ５０９ｅ＋ＯＯ１ ５ ６７３ｅ＋００ｌ ３ ８３６ｅ＋００ｌ ２ ０００ｅ＋００１ ０ Ｏ 余定义条件及约束 不变，重新进行计 算，在进行到１１２ 次迭代后曲线收 敛，其迭代曲线如 ３ ０７２ｅ ∞ ∞ （ａ）温度场 （ｂ）速度场 ▲图９开孔后车灯空气模型ｘ—ｚ平面温度场和速度场分布图 图８所示，计算所 得流场分布和温度场分布如图９所示。 由温度场分布图可看出，反射镜开孔后大部分高温 气体从开孔处直接流出，参与到整个车灯内部的流动循 的个数和位置对车灯换气过程的顺利进行和消除结 雾的影响是十分显著的，换气口的空间位置显著影响 灯腔内流动场的分布，进而影响到温度场的分布。 环，减少了直接流向前端配光镜的热空气，从而降低了 配光镜的实际温度。另外，根据速度场分布图，开孑Ｌ后 的反射镜后端的流动明显地加强了，原来在反射镜中受 参考文献 ［１］赵亮口，周炳海．车灯内部流动与传热的数值模拟分析 【Ｊ】．机械制造，２００７（１）． 阻的高温气体，可以直接从孑Ｌ中流进车灯后部的空腔 中，然后从反射镜与配光镜和灯体之间的间隙，流人反 射镜中重新参与新的流动循环，使热空气分流，降低了 配光镜内表面的温度，这就解释了开孔可以避免配光镜 热变形的原因。 【２】 张晓峰，林海，李玉泉．汽车车灯内部结雾的热分析及应 对措施［Ｊ］．汽车技术，２００１（３）． ［３］ （美）杰姆斯．苏赛克，俞佐平译．传热学【Ｍ】．ｊＥ京：人民 教育出版社，１９８１． ［４ Ｊ孟小文．汽车车灯的热分析研究［Ｄ］．上海：同济大学， ２００７． ４结论 通过ＮＸ ６．０中的高级建模与仿真模块，对概念车 灯模型进行了热流分析。通过分析可知，灯内温度场、 流动场、水蒸气的浓度分布（即湿度分布）和车灯材料表 【５】 Ｄａｒｙｌ Ｌ．Ｌｏｇａｎ著，伍义生译．有限元方法基础教程【Ｍ］． 北京：北京电子工业出版社，２００３． ［６］ Ｊ Ｍ Ｍ Ｓｏｕｓａ，Ｊ Ｖｏｇａｄｏ，Ｍ Ｃｏｓｔａ，ｅｔ ａ１．Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｆｌｏｗ ａｎｄ Ｗａｌｌ ｌ＇ｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕ— 面性质是影响结雾的主要因素。总体来说，灯内温度分 布越均匀，温度越高，流动性好，结构合理，结雾就越难 形成。 ｔｉｏｎｓ ｉｎ ａｎ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｈｅａｄｌｉｇｈｔ［Ｊ】．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｆｌｕｉｄ，２００５（７）． △ 通过对车灯模型的开孔优化设计，得知车灯换气口 ２０１０／１０ （编辑 林 凡） 机械制造４８卷 第５５４期
