J4-03 · 仿真分析 CAE / 乘员舱与舒适性仿真
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一课题可并存多讲师版本
课程大纲
学完能做什么
- 能把座舱湿空气/水蒸气传输耦合进CFD并算出玻璃表面的结雾风险分布
- 能选用合适的凝结成膜数值方法（Eulerian wall film/VOF类）模拟液膜生长
- 能区分除霜与除雾仿真在边界条件、物理模型上的差异并各自建对
- 能把结雾判据量化到法规视区（以 A 区为主，按眼椭圆/V 点作图）或内部标准要求的可见区域指标
- 能把CFD仿真结果收窄为可供HVAC控制标定使用的简化判据
内容大纲
- 除霜与除雾：两套不同的仿真问题
- 结霜=气-固凝华、除霜=固-液融化（衔接C5-02）；结雾=气-液凝结、除雾=液-气蒸发，两条链的相变类型与驱动力完全不同
- 边界条件差异：除霜靠热风流量/温度——法规低温工况（约 −18 ℃）下压缩机多被低环温闭锁、外气本身几乎无湿可除，热量全由 PTC/暖芯给；除雾则是抬高 T_glass 与降低空气露点两条路并行，风量与温升要按热源功率上限做组合寻优（风量抬高利于抬 T_glass，但同时抬高 T_evap、降低单位质量除湿能力，并按 Q̇ = ṁ·c_p·ΔT 压低再热温升），不是越大越好，也不是笼统的「适度」
- 判据差异：除霜看净空面积-时间曲线，除雾看可见区域比例与雾层厚度——两者的面积百分比都以法规视区（除雾以 A 区为主）为分母，不是整块风窗
- 与C5-02/C5-03的分工边界：本课聚焦除雾的CAE数值实现
- 相变面分居玻璃两侧：法规霜层结在外表面、雾结在内表面——除霜的净热流要穿透玻璃、还被外侧对流持续削减，除雾的凝结/蒸发与传热同在内侧；把霜层相变源项误挂到内表面会系统性高估除霜速度（除霜建模细节见 C5-02）
- 座舱湿空气传输与结雾风险分布
- 座舱湿空气CFD：水蒸气组分输运方程，衔接A2-04湿空气基础
- 露点判据：玻璃内表面温度低于局部空气露点即结雾（衔接C5-03起雾机理）
- 座舱内湿度场并不均匀：人体呼出、湿衣物带来的局部湿源
- 结雾风险分布图的读法：看局部露点裕度，不是看座舱平均湿度
- 同一套组分输运求解器的复用边界：污染物与颗粒场
- 框架复用：同一套组分输运求解器换掉源汇项与落点，就能算污染物浓度场——气态物（CO₂/VOC）走被动标量，判据从露点裕度换成浓度限值；湍流施密特数 Sc_t 常取 0.7~0.9，室内低速流动下它对浓度场的影响比对温度场大，须做敏感性（对接 C4-02）
- 复用时的两处相异：① 颗粒相不能一律当被动标量——按 Stk 数判断，PM2.5 在座舱风速下 Stk≪1 可按被动标量算，更粗的颗粒须用 Eulerian 漂移通量或 Lagrangian 颗粒轨迹以算重力沉降与惯性碰撞（沉降≠去除，二次扬起见 C4-03）；② 汇项要整体换掉——水蒸气的汇是玻璃壁面凝结成膜，污染物的汇是滤芯捕集效率曲线（分级效率见 C4-01）、沉降与化学降解。照抄水蒸气模型只改标量名而忘了关掉壁面结露汇，会凭空吃掉污染物
- 凝结成膜的数值方法
- Eulerian wall film模型：液膜厚度、剪切拖拽、重力流淌
- VOF与wall film两类方法的选用场景与计算成本差异——本课口径限于静止大曲率玻璃壁面上的凝结成膜；高速旋转壁面上的液膜破碎与再夹带另属一类，见 J3-06
- 液膜蒸发-凝结的双向切换：除雾风开启后液膜如何被吹干
- 薄膜假设的适用边界：凝结量大、液膜可能流淌成滴时会失效
- 一体化算例的搭建：法规工况、共轭壁面与加严场景
- 法规工况的边界条件设定（衔接C5-01性能目标）
- 与除霜CFD（C5-02）共用同一玻璃共轭壁面几何，但相变源项分别挂在外/内侧，分别跑防雾/防霜两套边界
- 极端场景覆盖：暴雨天、多人满载高湿度的加严工况
- 从膜厚到可上车的判据：环境舱标定、判据收窄与降阶
- δ_f 是凝结量的代理量，不等于可见度：判「已起雾/已除清」要外加一个经验阈值，该阈值必须由环境舱实测标定，且随玻璃表面能与亲水/疏水涂层状态整体漂移——亲水涂层把液滴摊成连续水膜后不再散射，同样凝结量下反而更清晰，所以膜厚与可见度之间不是单调关系（散射机理见前置课 C5-03）
- 仿真-试验相关性：环境舱湿度控制试验的对标要点
- 把CFD结果收窄为简化判据（如内表面温度-露点裕度阈值表）
- 降阶模型/查表法供HVAC ECU除雾策略实时使用（衔接J7-02模型降阶）
- 仿真结果反馈优化除雾风量与内外循环切换策略
- 平台化复用：同一套判据跨车型迁移时的注意事项
关键公式
结雾判据：T_glass,in ≤ T_dp(局部座舱空气)
露点判据：玻璃内表面温度低于局部座舱空气露点温度即发生凝结，是除雾仿真的核心判据，不能用全局平均湿度代替局部值
∂(ρY_v)/∂t + ∇·(ρuY_v) = ∇·(ρD∇Y_v) + S_v
水蒸气组分输运方程：座舱湿空气CFD比干空气多算这一项，S_v是人体呼出、凝结相变等源汇项
dδ_f/dt = ṁ_cond/ρ_l − ṁ_evap/ρ_l + 膜流淌项
液膜厚度变化率：Eulerian wall film模型的核心方程，凝结使液膜增厚、蒸发和风吹使其变薄，重力与气流剪切驱动流淌
η_visible,z = A_clear,z / A_zone,z × 100%
除雾合格判据的量化形式：分母取法规视区 z 的面积，不是整块风窗玻璃——把四周与下沿等非视区面积算进分母会稀释掉最先结雾的区域、系统性高估合格率。除雾考核以 A 区为主（A′/B 区的分时段门槛属除霜口径，勿照搬），视区按眼椭圆/V 点作图确定（见 C5-01）；具体门槛与时间节点以现行版本条文为准
关键概念
湿空气CFD水蒸气组分输运露点判据Eulerian wall filmVOF液膜厚度结雾风险分布局部湿源除霜-除雾分工降阶模型ROM判据阈值表法规视区分区（A/A′/B 区）
推荐工具与标准
STAR-CCM+ / Fluent（含组分输运与wall film模型，污染物复用时另需多组分/离散相 DPM 模块） TAITherm（玻璃热-座舱耦合） AMESim / KULI（提供HVAC湿度、风量的1D边界） 环境舱湿度控制试验系统（相关性对标数据源）
GB 11555-2025《汽车风窗玻璃除霜和除雾系统技术规范》（2026-01-01 实施，全部代替 2009 版） FMVSS 103（Windshield Defrosting and Defogging Systems）
工程案例
某紧凑型SUV满载多人高湿度工况下的除雾仿真：座舱CFD算出的局部露点比整体平均湿度对应的露点更高（呼出气体聚集区），玻璃下部先于其他区域结雾（须进一步判读该区域侵入 A 区的比例，落在 A 区内才构成法规意义上的失效）；据此把内外循环切换时机提前，并把该判据整理成一张阈值表供HVAC控制标定直接使用。
动手做
交付物 · 给定一组座舱高湿度工况（人数、湿度、环境温度）和一版HVAC内外循环边界条件，① 建立含水蒸气组分输运的座舱CFD模型；② 算出玻璃内表面局部结雾风险分布并定位最先结雾的区域，判读它落在法规视区（A 区）内的比例；③ 提出一版内外循环切换时机的判据表，供后续控制标定参考。
常见误区
- 拿座舱平均湿度算露点判断是否结雾，局部湿源（呼出气体、湿衣物）聚集区实际先结雾，被平均值掩盖
- 除霜和除雾用同一套边界条件跑仿真，两者对风量、温度、内外循环的需求方向经常相反
- 液膜模型选错：凝结量大、液膜可能流淌成滴时仍用薄膜假设，结果失真
- 只做结雾判定不做除雾过程仿真，看不出把液膜吹干需要多久，控制标定缺了这一环
- 把仿真判据直接当控制策略上车标定，没有留出与环境舱实测数据的相关性修正环节
- 拿一个拍脑袋的膜厚阈值直接判 η_visible：δ_f 只是凝结量代理量、不是可见度本身，没做环境舱相关性标定就出除雾结论，会把除雾风量与内外循环切换时机选偏
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