（光学工程专业论文）车灯温度场及灯内空气流动特性的分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 汽车车灯的设计不仅影响汽车的外观，还影响汽车的安全性。以 往的设计中，主要考虑的是车灯的材料、结构、光学等方面的因素， 车灯的热应力以及结雾等涉及到热学方面的问题却没有得到人们足 够的重视。因此，对车灯的热分析很有必要并且很有意义。 本文分析了车灯的传热特性以及车灯结雾问题的原理。在此基础 上，将三维c a d 软件c a t i a 中建立的车灯实体模型以及灯内的空气 模型分别导入相关软件进行温度场和流场的计算分析。同时，对车灯 的结雾问题和配光镜表面的温度分布进行了试验。计算结果与试验结 果的比较验证了流场以及温度场模型的正确性。最后，在试验结果的 基础上，对车灯的结构、工艺性能方面提出了改进意见。 配光镜的流场及温度场分布研究结论可减少灯体的热应力，减轻 结雾现象，对于车灯今后热设计的优化具有依据作用。 关键词：车灯，流场，温度场，有限元 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t v e h i c l eh e a d l i g h ta f f e c t sn o to n l ya u t o m o b i l e sa p p e a r a n c e ，b u ta l s o d r i v i n gs a f e t y i ng e n e r a l ，m a np a y sa u e n t i o nm a i n l yt ot h em a t e r i a l s 、 s t r u c t u r e 、o p t i c se t c o fv e h i c l eh e a d l i g h t w h i l et h ep r o b l e m sr e l a t i v et o c a l o r i f i cs u c ha st h et h e r m a ls t r e s sa n df o g g i n ge t c o fv e h i c l eh e a d l i g h t c a n tc a u s em u c ha t t e n t i o n i nt h el i g h to ft h i s ，t h et h e r m a la n a l y s i so f v e h i c l eh e a d l i g h ti sv e r yn e c e s s a r ya n ds i g n i f i c a n t t h ec h a r a c t e r i s t i co fv e h i c l eh e a d l i g h t , st h e r m a lc o n d u c t i o na n dt h e p r i n c i p l eo fi t sf o g g i n gp r o b l e ma r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ee n t i t y m o d e lo fv e h i c l eh e a d l i g h ta n dt h ea i r i ni tw h i c he s t a b l i s h e db y t h r e e d i m e n s i o nc a ds o f t w a r ec a t i aa r ei m p o r t e di n t oc o r r e l a t i v e s o f t w a r e ，t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ef l o wf i e l do fv e h i c l eh e a d l i g h ta r e c a l c u l a t e da n da n a l y z e d e x p e r i m e n t sa r ed o n eo nt h ef o g g i n gp r o b l e m a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no fl a m pc o v e r t h ec o m p a r i s o n b e t w e e nc a l c u l a t e dr e s u l t sa n de x p e r i m e n to n e sv a l i dt h ec o r r e c t n e s so f t h ef l o wf i e l da n dt h et e m p e r a t u r ef i e l dm o d e l o nt h eb a s i so ft h i s ，s o m e m e t h o d sa r ep u tf o r w a r dt o i m p r o v et h ed e s i g no ft h es t r u c t u r e 、 t e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e so fv e h i c l eh e a d l i g h t t h er e s e a r c hr e s u l t sf i n da p p l i c a t i o ni nr e d u c i n gt h et h e r m a ls t r e s so f l i g h tb o d ya n dr e d u c i n gt h ef o g g i n gp h e n o m e n o n w h i c hi sh e l p f u lt o o p t i m i z et h et h e r m a ld e s i g no f v e h i c l el i g h tl a t e r k e y w o r d s ：v e h i c l eh e a d l i g h t ，f l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密囹 学位论文作者签名：海学聂 ? o o 石年0 6 月1 2 日 指导教师签名：面锄 m 年莎a s e t 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：膊曹器 2 。年口6 月f 二日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着汽车技术的发展和汽车性能的不断提高，汽车的安全性越来越受到人们 的重视。汽车车灯作为汽车的安全件之一，一直是汽车生产过程中重点控制的零 部件之一，其主要功能是按驾驶员的指令点亮或熄灭车灯，从而对外发出车辆的 运行趋势或为驾驶员夜间行驶提供照明，保证车辆安全行驶。据统计，驾驶员 8 0 的交通信息是通过视觉获得的，包括道路的表面形状、方向、交通信号以及 交通标志的内容。这些信息在白天很容易通过视觉获得，但在没有光线的夜间， 特别是在恶劣环境下( 如雨天，雾天或烟尘等的于扰的情况下) 就相对困难。驾 驶视野的好坏直接影响到行车的安全性。国际上的一项统计表明，夜间发生交通 事故大约是白天的3 倍，而具有良好照明条件的道路上发生的交通事故是没有照 明或照明条件不良道路上的3 0 。如1 9 9 3 年德国有4 9 6 的交通死亡事故发生 在夜间；1 9 9 5 年澳大利亚的这个事故率为4 3 8 ；而日本则高达5 5 4 。因此， 保证汽车照明系统正常工作非常重要 1 】。此外，由于车灯是汽车前脸的一个基本 部件，现代汽车车灯不但要提供良好的照明，而且要有装饰作用。 目前，如何从哪个方面考虑设计，进一步提高车灯的性能已成为各大汽车生 产商研究的一个重要课题。 1 1 车灯发展的国内外现状 汽车前照灯，发展到现在已经是第六代。第一代产品是1 9 2 5 年之前使用的 油灯，继之使用的乙炔前照灯。 第二代车灯是电光源前照灯，在1 9 2 5 年之后得到广泛使用，这是一种充气 白炽灯泡，具有较高的轮廓亮度。 在解决两车相会时眩目的问题时，第三代车灯同时具有远近两种灯芯。其特 点是远光灯丝功率较大，安装时位于反射镜的焦点上；近光灯丝功率较小，安装 时位于反射镜焦点上方。但是，这种车灯在由远光变为近光时，驾驶员能见度降 低，车速也就随之降低。 为了解决这一问题，1 9 3 2 年美国发明了第四代不对称的前照灯。它以基准 江苏大学硕士学位论文 轴为中心，将光束一分为二，靠近会车- n 的光束落地距离短，防止眩目。轿车 另- - n 光束的落地距离长，以增加视见距离。 1 9 6 4 年法国首先批量生产出了第五代卤钨前照灯，在灯泡中充入惰性气体， 再掺进卤族元素，因此灯泡较普通白炽灯光效增加约5 0 ，寿命延长了一倍。 我国大多是生产的溴钨灯泡，国外还生产碘钨灯泡。 第六代车灯是目前高级轿车上普遍采用的自由面反射镜前照灯【2 】【3 l 。主要有 两种光源：( 1 ) 单丝卤钨灯泡，( 2 ) 气体放电光源。 我国国内在t 9 5 6 年制造出第一辆汽车，1 9 5 8 年开始配套生产国产灯具。经 过几十年的发展，已经形成了一定的规模。目前，我国车灯生产企业主要集中在 ：海、江浙和广东等地。 2 0 0 3 年初，有关机构对灯具生产企业进行了次深入的调研。结果表明： 我国车灯产品的质量水平较前几年已经有了很大的进步，但是部分企业的产品与 国家标准要求相比仍有一定的差距，其中问题最多的是前照灯：在前照灯中又 以使用非标灯泡以及配光性能不合格最为突出。当然，也有一些企业的技术实力 相对较强，其产品达到了国外同类产品的先进水平4 】 5 1 。 1 2 汽车前照灯的结构、性能要求及其分类 1 , 2 1 汽车前照灯的结构及性能要求 前照灯是汽车行驶过程中照明前方道路的主要工具，其造型随车型而异。一 般前照灯应具有夜问能看清车辆前方1 0 0 m 以内的障碍物的远距离照明能力。随 着现代汽车车速的不断提高，要求车前的照明距离也相应增加，达1 5 0 m - - 2 7 0 m 。 近光在与对面车会车时不使对方驾驶员眩目，并且能照明前方3 0 m 内的距离。 崮外第一部汽车照明和信号装置标准是美国1 9 1 8 年制定的i e c s a e 配光标 准。此后欧洲及日本也于1 9 1 8 年分别制定了汽车行驶的道路法规。这是世界上 最早的一批有关汽车灯具的标准。 从1 9 6 2 年开始，美国制订了s a e 体系，到现在已制订了7 0 个有关汽车灯 具的标准。除s a e 标准外，欧洲经济共同体( e e c ) 、国家照明委员会( c i e ) 、国 际标准化组织( i s o ) n 及世界各国均对汽车灯具制定了相应的标准。 江苏大学硕士学位论文 现在，国际上汽车灯光测试己形成几大体系：日本的j i s 体系、美国的s a e 体系以及欧洲的e c e 体系。国内由于各种原因，起步比较晚，目前，我国根据 自己的国情和地理情况尽可能等效采用e c e 法规相应的技术条款制订了车灯标 摊【6 j 【7 1 。 由于汽车灯具是重要的汽车主动安全部件，我国的汽车灯光强制性标准对机 动车上安装的照明和信号装置的配光性能、光色与色度、使用的光源以及安装在 车上的位置、数量、最小可见度等都作了具体的规定。在我国汽车3 7 项主动安 全项中，照明就占了1 l 项，可见其重要性。 前大灯的结构主要包括： 1 ) 灯壳，以前多为薄钢板冲压而成，用来支撑整个灯具的重量和保护壳体 内的光学器件，现在多采用注塑件灯壳。 2 ) 反射镜，反射镜的表面多制成旋转抛物面并进行真空镀铝，反射系数在 9 4 以上。 3 ) 灯泡，对于双灯丝灯泡则将远光灯丝安装在反射镜的焦点上，对于单丝 灯泡则将主灯泡安装在反射镜的焦点上。 4 ) 散光玻璃，反射镜将灯泡发出的光以集中光束的形状射到散光玻璃上， 散光玻璃是由复合材料压制而成，其表面具有棱镜形和透镜形的复合波纹，将反 射出来的集中平行强光束进行折射和反射，使前照灯发出一定分布要求的光束， 从而达到足够而均匀的照明的要求。 本课题研究的羚羊车前照灯的模型主要由灯泡、反射镜、灯罩( 遮光罩) 和 配光镜四部分组成。灯体内的流动介质以空气为主，还有水蒸气以及灰尘等，其 流动形态为自然对流。与上述大灯结构有所不同的是由于现代工艺的改进，大灯 的散光玻璃直接制成了光滑的弧面，而承担光形分布的任务由反射镜和灯罩共同 来完成。 1 2 2 汽车前照灯的分类 根据车灯数目不同，可分为两灯式和四灯式，两灯式前照灯均为双丝( 远近 光) ；四灯式前照灯两只为双丝，两只为单丝。 根据安装方式不同，可分为内安装式和外安装式。 江苏大学硕士学位论文 根据结构不同，可分为可拆式、半封闭式和封闭式三种。 ( 1 ) 可拆式前照灯的反射镜、灯泡和散光玻璃可分别安装，故其气密性差，易 受湿气和尘埃的污染而影响照明效果，使用较少。 ( 2 ) 半封闭式前照灯其散光玻璃靠卷曲反射镜边缘上的牙齿而紧固在反射镜 上，两者之间有橡皮圈密封，灯泡则由反射镜后端装入。 ( 3 ) 封闭式前照灯灯泡直接由反射镜和散光玻璃制成一体而形成，里面充入 惰性气体。因此，封闭式大灯可避免湿气及尘埃的污染，延长了使用寿命。但是， 这种灯泡在灯丝烧坏或老化时就得整体更换，维护费用较高，限制了其使用范围 i s l 9 1 。 本课题研究的对象是羚羊前照灯，属于内装式半封闭前照灯。 1 3 课题研究的目的和意义 车灯发展到现在，相对于旧式车灯，其体积、形状以及材料都有了很大的 改变。但有时由于车灯设计不合理，车灯内热量难以排出，经过一定时间的积累， 会使配光镜产生微裂纹，甚至变形，不仅影响了车灯的外观，而且影响了车灯的 照明效果，进而影响了行车安全。此外，由于灯具设计不合理，车灯结雾问题也 是影响车灯外观和质量的主要问题之一。空气中的水蒸气遇冷凝结在车灯内表 面，不仅影响车灯外观，而且使车灯照明效果大打折扣，从而影响到了汽车的行 车安全，严重时雾珠造成车灯内积水，若积水过多，在汽车行驶过程中，灯内 的积水可能会溅到高温的灯泡上，急剧的热胀冷缩产生的内部应力会导致车灯灯 泡炸裂，严重威胁到车灯灯泡的使用寿命和车灯内电路的安全。另外，车灯内水 蒸气在反射镜和灯罩内表面长期凝结会导致材料的腐蚀，加速材料的老化。由于 车灯雾气问题没有得到有效的解决，车灯的产品报废率一直较高，有的灯型甚至 达到了3 0 。 车灯的设计涉及到材料、光学、结构以及传热等多方面的因素。在以往的 车灯设计中，是以光学设计为主导地位，而基于对车灯内流场、温度场分析基础 上的热设计鲜有报道。资料表明，国外对车灯结雾现象的研究始于八十年代末， 经过十几年的研究，已经在理论上有了一定的积累。国内关于车灯的热分析处于 刚刚开始研究的阶段，大多数，家在解决结雾问题以及有关热分析的问题的时候 江苏大学顾士学位论文 根据结构不同，可分为可拆式、半封闭式和封闭式= 王种。 ( 1 ) 可拆式前照灯的反射镜、灯泡和散光玻璃可分别安装，故其气密性差，易 受湿气和尘埃的污染而影响照明效果，使用较少。 ( 2 ) 半封闭式前照灯其散光玻璃靠卷曲反射镜边缘上的牙齿而紧固在反射镜 e ，两者之问有橡皮幽密封，灯泡则由反射镜后端装入。 ( 3 ) 封闭式前照灯灯泡直接由反射镜和散光玻璃制成一体而形成，里面充入 惰性气体。因此，封闭式大灯可避免湿气及尘埃的污染，延长了使用寿命。但是， 这种灯泡在灯丝烧坏或老化时就得整体更换，维护费用较高，限n t 其使用范围 。 本课题研究的对象是羚羊前照灯，属于内装式半封闭前照灯。 1 3 课题研究的目的和意义 车灯发展到现在，相对于旧式车灯，其体积、形状以及材料都有了很大的 改变。但有时由于车灯设计不合理，车灯内热量难以排出，经过一定时间的积累， 会使配光镜产生微裂纹，甚至变形，不仪影响了车灯的外观，而且影响了车灯的 照明效果，进而影响了行车安全。此外，由于灯具设计不台理，车灯结雾问题也 是影响车灯外观和质量的主要问题之一。空气中的水蒸气遇冷凝结在车灯内表 面，不仅影响车灯外观，而且使车灯照明效果大扎折扣，从恧影响到了汽车的行 车安全，严重时，雾珠造成车灯内积水，若积水过多，在汽车行驶过程中，灯内 的积水可能会溅到高温的灯泡上，急剧的热胀冷缩产生的内部应力会导致车灯灯 泡炸裂，严重威胁到车灯灯泡的使用寿命和车灯内电路的安全。另外，车灯内水 燕气在反射镜和灯罩内表面长期凝结会导致材料的腐蚀，加速材料的老化。由于 车灯雾气问题没有得到有效的解决，车灯的产品报废率一直较高，有的灯型甚军 达到了3 0 。 车灯的设计涉及到材料、光学、结构以及传热等多方面的园素。在以往的 车灯设计巾，是以光学设计为主导地位，而基于对车灯内流场、温度场分析基础 上的热设计鲜有报道。资料表明，国外对车灯结雾现象的研究始于八十年代末， 绎过十几年的研究，已经在理论上有了一定的积累。国内关于车灯的热分析处于 刚刚开始研究的阶段，大多数厂家在解决结雾问题以及有关热分析的问题的时候 刚刚开始研究的阶段，大多数r 家在解决结雾问题以及有关热分析的问题的时候 江苏大学硕士学位论文 主要是通过出厂前的试验来进行验证，主要试验手段有： ( 1 ) 根据经验对车灯配光镜的高温点进行打孔测量，得到最高温度，最高温 度低于一定的数值即视为合格。 ( 2 ) 对车灯进行室温点灯和五十度恒温点灯，在连续点灯若干小时后检查配 光镜在此工况下是否变形或者软化。若配光镜没有变形或者软化则视为灯具设计 合理，温度场分布比较合理。 ( 3 ) 进行淋雨实验，检查车灯的密封性，如果淋雨实验后车灯内没有发生结 雾现象即视为车灯密封。 ( 4 ) 采用示踪气体检验车灯的气密性 1 l 】。如果车灯有缝隙，示踪气体就会 在缝隙处溢出。此时光线通过此含有示踪气体的空气时折射率就会发生改变，因 此会造成光线传播方向的偏转或光线相位差，据此测到折射率变化地点来判断车 灯的泄漏所在。检测气密性的方法还包括超声波检测法、真空计法、微压差法等 1 2 1 13 1 ，这里就不作一一介绍。 上述测试在一定程度上考虑了车灯在使用过程中热和气密性问题，但车灯结 雾等涉及到车灯内空气流动和传热的问题并没有深入研究。 例如，对配光镜的高温点的测量只能依靠设计人员的经验，并不能确切的指 出温度的最高点；淋雨实验对出厂前的新产品起到了一个检验的效果，但是在长 期的使用过程中，车灯的密封性会逐渐变差；在下雨天或者其他湿度比较大的天 气下在车灯内部仍然会出现结雾。因此，从热设计角度来考虑车灯的设计显得尤 为重要。 本课题的研究目的：以羚羊车的前照灯为研究对象，建立一个物理模型，利 用相关软件对车灯内的流场以及温度场进行分析。从热设计的角度来研究灯体内 气体流动和温度分布，为优化车灯设计提供依据。 1 4 课题研究的主要内容及方案 1 4 1 研究内容 本课题研究的主要内容：针对已有的羚羊车前照灯，使用三维软件建立一个 车灯的有限元模型，同时，利用车灯模型建立其内部空气模型。将两个模型分别 江苏大学硕士学位论文 导入相关软件，模型中的部分参数通过试验来确定，对车灯的流场和温度场进行 分析。从热设计角度出发，对研究对象进行试验研究，进行温度场的相关试验， 从而对由理论分析得出的温度场加以验证，并在流场以及温度场分析结果的基础 上提出优化车灯设计的措施。 1 4 2 研究方案 ( 1 ) 车灯内部流场分析，对车灯流场的分析需要建立车灯内部的空气模型， 在对模型进行简化后导入相应的软件进行计算，得到车灯内空气的流动情况。利 用计算结果结合车灯实际情况进行分析，并利用试验对分析结果进行检验。 ( 2 ) 车灯体内温度场分析，温度场的分析由于只涉及到车灯的反光镜、灯 罩、配光镜以及灯泡，因此，要对车灯模型进行分析前的预处理。利用软件去除 原始模型上的无用的信息，并对模型进行修改，将模型上一些不规则的对分析、 结果可以忽略的地方规则化。然后，将车灯置于实际工作环境中，测出计算所需 的数据，如灯泡达到稳态后的温度、车灯所处的环境温度等。 ( 3 ) 车灯温度场以及结雾试验研究，利用红外热成像仪获得车灯温度场的 分布，或者在车灯表面选择一些重要的点，利用热电耦测出配光镜内表面这些点 的温度，找出配光镜上温度分布的趋势。此外，模拟实际环境，对车灯进行结雾 试验，找出车灯的结雾区，并作相关分析。 ( 4 ) 将理论研究结果与试验结果比较分析，利用试验数据从理论上进行温 度场分布计算并与试验结果相对照从而验证模型的正确性。 ( 5 ) 结合试验结果，利用软件对模型加以分析。通过对流场以及温度场的 分析提出对原有车灯进行更合理的改造。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章车灯热分析 在工程实际应用中经常出现的传热问题主要有两类。一类是以求出局部或者 平均的传热速率为基本目的。这类问题往往涉及对热量传递速率的计算和控制， 即与增强或削弱传热有关的各种技术和设备的专用设计。第二类以求得研究对象 ( 固体或流体) 内部的温度分布为主要目的，即在热量传递的全过程中物体内的 温度状态分布如何【l4 1 ，本课题属于第二种情况，即通过计算车灯各部件之间的热 传导和热辐射，同时考虑车灯内空气的自然对流，得到车灯配光镜的温度场分布。 此外，通过对气体流动状况及其特性的分析，选择合适的计算模型，得到车灯内 空气的流场分布。下面分别介绍下相关理论。 2 1 传热的基本概念 根据热量传递的方式传热过程可分为：热传导( h e a tc o n d u c t i o n ) 、热对流 ( h e a tc o n v e c t i o n ) 和热辐射( t h e r m a lr a d i a t i o n ) 根据温度与传热过程的时间进程 的关系而言，传热过程可分为：稳态传热过程( s t e a d yh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ) 和非 稳态传热过程( u n s t e a d yh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ) 。 2 1 1 传热的基本方式 1 热传导 当物体内部存在温差时，热量将从高温部分传递到低温部分：并且不同温度 的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。可以用傅立时定律来描述 通过平板的导热热流量或热流密度q 庐- 触耋或者g = 丢一五妾 ( 2 1 ) 戚以“ 其中 是反映材料导热能力大小的物理量，即导热系数，单位是缈m k ) 。式中 的负号仅用来表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。在车灯工作的过程 中，由于车灯的结构关系，各部件之间存在着热传导，如反光镜与配光镜之间、 反光镜与灯罩之间等。在计算过程中，主要是将各个零部件的热导率作为材料参 江苏大学硕士学位论文 数加以定义并参与计算的。 2 对流 对流是指在有温差的条件下，各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传 递方式。对流按照引起流动的不同原因可以分为强迫对流换热和自然对流换热两 类。 所谓强迫对流( f o r c e dc o n v e c t i o n ) 是指流体的运动由外界强迫驱动力引起， 通常提供这种强迫外力的是各种泵或者风机，自然界的风力或位势差也可以成为 提供这种动力的内在原因。由于灯体壁和透镜罩直接与外界接触，并且车灯工作 时温度一般要高于外界温度，因此这两者与外界存在着强迫对流。 所谓自然对流( n a t u r a lc o n v e c t i o n ) 是因为流体受热或受冷产生密度变化而引 发的流动。车灯工作时灯泡打开会对周围的空气加热而关闭时热空气会冷却，空 气在受热后会膨胀，从而挤压灯内空气向外排出，冷却时空气收缩并吸进外界空 气。因此灯丝与灯泡壁、灯泡壁和透镜罩、灯泡壁和灯外壳以及灯泡壁和反射镜 之间都存在着自然对流，也就是说车灯内部空气的流动形态为自然对流。 对自然对流简单列个表可表示为： 自然对流 f ( 1 ) 沿竖板竖管的自然对流换热 大空间 ( 2 ) 水平圆非圆管道自然对流换热 l ( 3 ) 水平板 间熙黧朝 对于对流换热问题的解决方法主要有： ( 1 ) 解析法，通过建立物理一数学模型，得出问题的微分方程和相应边界 条件，运用数学分析手段求解，包括精确解法和近似解法。 ( 2 ) 实验方法，对流换热问题的多样性和复杂性决定了能够求得分析解的 问题种类非常有限，所以实验至今仍是研究各种对流换热工程问题的基本手段。 即使其他方法可以求解，也需要试验验证。实验方法是以相似原理或量纲分析理 沦为指导的。 ( 3 ) 类比方法，利用流体中动量传递具有十分相似机理的特点，可以建立 江苏大学硕士学位论文 两者参数之间的数量联系并从中求得对流换热表面传热系数。 ( 4 ) 数值方法，用数值计算方法求解对流换热微分方程组是近年来随着计 算机应用的日益普及和水平提高出现的一种新手段，目前对流换热的数值计算方 法已经能够在定性上分析，但在定量准确性上还有待改进。 由列表可以看出，所需考虑的灯体内空气的对流属于有限空间自然对流，并 且车灯的型腔是一个不规则的空间，难以直接利用公式算出结果。 下面介绍一下在进行有限单元法计算时如何获取对流换热系数，如图2 1 所 不： q u ，t f ， u , t f _ + 图2 1 有限单兀法对流换热示意图 温度为t f 和速度为u 的空气，流过一个面积为a 的任意形状的灯罩。设灯 罩表面的温度为t w 且两者不等。由于流动条件沿表面逐点变化，使得对流换热系 数h x 和单位面积上的对流换热量q 。也将沿表面变化。 根据牛顿冷却公式，q x 可表示为： 空气被加热时 q ；= 自，( f 。一f r ) ，( 2 2 ) 空气被冷却时 q ，= 纹( f ，一f 。) ，( 2 3 ) 式中对流换热系数h 。，它不仅取决于空气的物性以及换热表面灯罩的形状与布 置，而且与流速有密切关系。对于整个灯罩表面积a 来说，总的对流换热量幽 下式表示，即 9 2 j 吼d a ( 2 4 ) 若表面a 的温度t w 与坐标x 无关，则上式可表示为 q = ( f 。一t t ) l h x d a ( 2 5 ) 江苏大学硕士学位论文 为了便于计算，我们取换热表面a 的平均对流换热系数h ，其单位是 f v ( m 2 。c ) 。h 的定义为 扣去弘d a ( 2 6 ) 需要特别指出的是，空气温度的选取可因流动条件而不同。当空气外掠物体 ( 平壁、圆管、圆柱) 对流换热时，空气温度取主流温度；空气在管、槽道内流 动换热时，取流道截面上空气的平均温度。在车灯壳体以及配光镜与外界对流交 换热量以及车灯内配件之间的对流换热中，都属于前者，故取空气的主流温度。 将对流换热公式改写成电工学中欧姆定律的形式，即 q = 盟h a = 鲁r ( 2 7 ) 一 、， 式中 r c2 i 1( 2 8 ) 称为对流换热热阻，单位是o c 矿 3 热辐射 与传导和对流不同，热辐射式通过电磁波的方式传递能量的过程。热辐射的 电磁波波长为0 1 到1 0 0 口n 。辐射不需要物体之间的直接接触，也无需任何中间 介质。 每个辐射面对不同的波长都会辐射和吸收，而且随方向而改变。这些特性也 随温度变化而变化。在本算例中，视辐射为各方向同性，并且忽略了波长对辐射 的影响，因此，与实际物体的辐射情况会有一定的误差。 ( 1 ) 同一物体温度不同时的热辐射能力不一样，温度相同的不同物体的热 辐射能力也不一样。因此提出了黑体的理想模型，黑体在单位时间内发出的热辐 射热量由s t e f a n - b o l t z m a t m 定律揭示： = s 甜4( 2 9 ) 式中：t 为黑体的热力学温度： 盯为黑体辐射常数，o - = 5 ，6 7 1 0 “w m 2 k 4 ： s 为辐射表面积。 实际物体辐射量的计算需采用灰体模型，可采用s t e f a n b o t t z m a n n 定律的修正形 o 江苏大学硕士学位论文 式 西= s c r t 4 ( 2 1 0 ) 咿) = 器 ( 2 1 1 ) e 为灰体表面的半球辐射能量， e b 为黑体的总的半球辐射能量， 占称为实际物体的辐射率，或称为黑度，其数值处于o 一1 之间。 ( 2 ) 在分析两个表面之间的辐射换热时，常常要求解一个重要的参量一一 角系数，也就是形状因子。如车灯灯泡壁f ，与车灯配光镜f j 之间，角系数f 。表 示了配光镜表面j 吸收的能量与灯泡壁表面i 所发出的总辐射能的比值。用公式 可表示为： 一 配光镜表面殿收的由灯泡壁表面踢出的辐射能1i j = 角系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数。下面计算灯泡壁和配 光镜之间的角系数，如图2 2 所示： 图2 2 角系数的计算 其中，a i 、a j ：灯泡壁面积与配光镜的面积； r ：面单元d a i 与面单元d a j 之间的距离； 0 ，：面单元d a i 的法线n ，与两面单元连线的夹角 b ：面单元d a j 的法线n j 与两面单元连线的夹角 江苏大学硕士学位论文 n ：面单元d a 的法线； n j ：面单元d a j 的法线； 则角系数用下式表示： = 去u 挚，d a ， 灯泡壁和配光镜之间的辐射能可用方程表述为： q ，= 舷，爿，( 互2 + r x r , + 1 ) ( 正一1 ) 其中，q i ：灯泡壁表面的传热率 玎：s t e f a n b o l z m a n 常数 s ：有效热辐射率 t i ，t i ：灯泡壁表面和配光镜表面处的绝对温度值。 对于有n 个平面的系统，形状因子矩阵由n 2 个元素组成： 旷】_ e e ：l f 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 从任何平面发射的能量必须守恒： 只l + f ；2 + 吒= 1( 2 1 5 ) 爿。毛= 爿，巳 ( 2 1 6 ) 即各个面之间的辐射角系数之和应该为1 ，并且，每两个面之间的辐射能量应浚 是相等的。 角系数的求解有两种不同的方法：非隐藏法和隐藏法。 非隐藏法在计算过程中，无论单元是否被阻挡，都将计算该单元与其他表面 l 单元的角系数。具体方程如下： 岛= 去善甜毪竽卜。 b ， 式中，m ：面单元i 即灯泡壁上的积分点数： n ：面单元j 即配光镜上的积分点数； 定义两表面间的无量纲距离为： 江苏大学硕士学位论文 d ：垒 4 , 4 。 ( 2 1 8 ) 式中，d m i n ：灯泡壁表面和配光镜的最短距离； d m a x ：m a x ( a l ，a 2 ) ，由于配光镜的面积大于灯泡壁，故取a 。为配光镜的面 积。 计算时，面积分的阶数将由一阶向高阶自适应性逐渐增加，而d 值则逐渐 降低。由于当d 0 1 时所计算的角系数的准确性比较差，所以当d o o l o 1( 4 2 9 ) x 但需要限制步长的另一个极端，也就是说步长不要小于这个极限值，否则又 会产生新的振荡。 江苏大学硕士学位论文 第五章车灯温度场计算分析 5 1 模型的建立 为了分析车灯温度场的分布，必须首先建立其分析模型。车灯的c a d 原始 模型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 响甚少。为了便于划分单元，减少计算量，对模型进行了简化。主要体现在：对 配光镜内表面周边的波纹面的抹平以及外部凸边的去除；对灯罩的形状进行简 化，以一个半球面代替原来的灯罩，为了减小对分析结果的影响，我们在半球面 上边缘上依照原来灯罩的形状进行修改，使其尽量吻合；灯泡则采用一个相同尺 j t 的圆柱体来代替。将修改的模型导入a n s y s 后结果如图5 1 ： 图5 。l有限元中车灯模型 其中1 为配光镜2 为反光镜，3 为灯罩，4 为灯泡。 5 2 单元的划分 5 2 1 实体模型的划分 由于车灯是实体模型，故对温度场的计算有两种单元可以选择，即s o l i d 7 0 和s o l i d 9 0 。其中s o l i d 7 0 是三维八节点单元，有单个自由度温度，s o l i d 9 0 江苏大学硕士学位论文 是三维二十节点单元，同样是单个自由度温度。由于车灯模型有不少不规则的曲 面，而后者有更加兼容的温度形状，比较适合模型的曲线边界，故我们采用 s o l l d 9 0 来进行单元的划分，从而提高划分精度。 此外，在进行热分析时，主要考虑的是辐射问题。a n s y s 在处理辐射问题 时，共分为三种情况： ( 1 ) 点一点之间的辐射使用热辐射线单元l i n k 3 1 。 ( 2 ) 点一面之间的辐射，通常采用表面效应单元s u r f l 9 、s u r f l 5 1 、 s u r f 2 2 和s u r f l 5 2 。其中前两种单元主要用于2 d 分析；后两种单元用于3 d 分析。 ( 3 ) 面一面之间的热辐射问题。对于这类问题，角系数往往比较复杂。为 此，a n s y s 采用了a u x l 2 矩阵生成器，用于生成各辐射面之间的角系数矩阵， 并将其作为超单元进行热分析。 3 1 1 3 2 1 利用a u x l 2 矩阵生成器对车灯进行热辐射分析需按如下三个步骤：定义辐 射面、生成角系数矩阵、将角系数矩阵用于热分析。在定义辐射面时，必须在原 有限元模型表面覆盖一层新的单元进行热辐射分析。若模型为2 d ，则应该覆盖 l 1 n k 3 2 单元；若模型为3 d ，则覆盖s h e l l 5 7 单元。其覆盖原理如图5 , 2 ： ii 芦 衍 ih f 一 一 ，7 图5 2 在实体模型上覆盖新的单元 上图是为了显示出覆盖后的效果而可以夸大了覆盖单元与原来的模型之问 的距离，在实际计算中，s h e l l 5 7 单元直接覆盖在模型表面的节点上，以车灯 配光镜为例，图5 _ 3 为覆盖单元前的节点分布图，图5 4 覆盖新单元后的效果图。 江苏大学硕士学位论文 圈5 3 覆盖前配光镜的节点分布 图5 4 节点上覆盖辐射单兀 下面简单介绍一下s o l i d 9 0 和s h e l l 5 7 这两个单元的单元特性。 s o l i d 9 0 适用于三维的稳态或者瞬态热分析。其材料特性包括x 、y 、z 三 个方向上的传导率、密度、比热容和焓。载蘅主要包括面载荷和体载荷，其中面 载荷包括对流( 或者对流密度) 和辐射，对流和对流密度这两个面载荷可以同时 施加在一个面上，但是a n s y s 只读取最后施加的载荷进行计算。体载荷为生热。 通常，s o l i d 9 0 被用来对三维实体模型进行单元划分。 s h e l l 5 7 单元作为一一个三维的热分析单元，同样，其材料特性包括x 、y 、z 二三个方向上的传导率、密度、比热容和焓。载荷主要包括面载荷和体载荷，其中 面载荷包括对流( 或者对流密度) 和辐射，相对于s o l i d 9 0 而言，只是多了一 个实常数即壳体厚度。s h e l l 5 7 主要是用于三维壳体模型的划分。 在对模型进行划分之前得先定义模型中各部分的材料属性，车灯模型由四个 江苏大学硕士学位论文 部分组成，分别给出各部分的材料特性，如表5 1 所示： 表5 1车灯模型的材料参数 材料导热系数( w m 。c )比热容( ，k g )辐射率密度( 堙m3 ) 配光镜 0 28 8 00 8 91 1 8 1 0 灯泡0 88 4 00 8 0 2 4 1 0 3 灯罩4 6 44 5 0 o 2 57 8 1 0 3 反光镜2 0 39 0 00 0 42 7 1 0 3 在单元划分过程中，为了避免单元和节点过多，我们要对划分过程进行控制， 在重要面上划分得细一点，而在次重要面上则划分得粗一点。模型划分后的单元 数为1 8 6 1 3 ，节点数为3 8 0 3 6 。 5 2 2 辐射矩阵的生成 由于在计算过程中，涉及到面与面之间的相互辐射，因此，在对模型划分单 元后，要进行辐射面的定义。如上所述，本例属于第三种情况，必须在有辐射的 面上覆盖s h e l l 5 7 单元。值得注意的是所覆盖的单元的节点一定要与相应实体 单元的对应节点编号重合。 此外，a u x l 2 规定辐射方向是s h e l l 5 7 的正z 向，面与面之间的辐射方 向应该是相对的。因此，在覆盖了s h e l l 5 7 单元后要对单元的辐射方向进行检 查。为了便于观察，在此，只显示车灯中部分辐射面( 灯泡和配光镜之间的辐射) 覆盖后的效果。如图5 5 所示， 图5 5灯泡和配光镜之间的辐射 江苏大学硕士学位论文 在所有的辐射面上的单元覆盖完成后，要分别选择组成辐射面的节点和单 元，定义了模型的维度( 3 d ) 、设置了各个辐射面的辐射率以及s t e a f a n b o l z m a n n 后，将辐射矩阵文件写到扩展名为s u b 的文件。 在生成辐射矩阵并将其写入到相应文件后，可进入a n s y s 前处理器以超单 元的形式读取该矩阵。由于s h e l l 5 7 单元覆盖在单元表面仅仅是为了生成角系 数矩阵，并不真正参与热分析的计算，因此，在读入辐射矩阵后得将覆盖的 s h e l l 5 7 单元删除。 5 3 温度场分析的载荷及边界条件 在进行分析之前，必须确定载荷以及边界条件。在车灯的热分析中，我们只 关心配光镜上的温度场分布，对车灯中空气的温度场并不关心。所以，在计算中 我们进行简化，只计算了车灯的温度场。 在a n s y s 前处理中，建立模型后就是施加载荷和边界条件。在车灯的热分 析中，边界条件采用的是第一类边界条件，即在物体边界上施加温度函数。这早 是施加一个常数，也就是车灯所接触的空气的温度，由试验直接测得。对流系数 作为面载荷旅加在车灯的内表面，根据车灯的工况，查取对流系数值。车灯点亮 一个小时后，温度分布趋于稳定，灯泡表面的温度作为体载荷施加在灯泡的模型 一k 。为了提高精度，对灯泡的几个不同点测温，取其平均值。1 3 3 【3 q 5 4 车灯温度场的计算结果及其分析 由上述分析前的准备可知，在分析中需要的参数中，材料特性参数由厂方提 供了数据。与车灯相接触的空气温度测得为2 6 5 。c ，灯泡表面温度的测量使用 量程为一4 0 呻7 5 0 。cd m 6 9 0 2 a 测温仪。在车灯点亮个小时后对灯泡表面的五 个点进行测量，测碍温度分别为3 8 0 。c ，4 0 2 。c ，3 8 7 。c ，4 2 0 。c ，4 0 8 。c 。取 其平均值为4 0 0 。c 。根据车灯的工作状况，查表取对流系数为2 , 6 。计算出车灯 配光镜的温度场分布如图5 , 6 ： 江苏大学硕士学位论文 图5 6 配光镜的温度场分布 沿着配光镜表面取图5 7 所示的点，并以曲线的形式显示这一路径上的温度 分布，如图5 8 所示。 图5 7 取点的路径分布 3 9 江苏大学硕士学位论文 图5 , 1 1 沿着这一路径上的温度曲线 配光镜上温度分布的等温线如图5 9 所示： 闰5 9 配光镜表面的等温线分布图 由图5 9 可知，配光镜内表面温度的分布具有如下特点： ( 1 ) 配光镜内表面上部的温度普遍要高于下部的温度。 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 左上角的红色区域温度最高，右下角的蓝色区域温度最低。 ( 3 ) 配光镜内表面横向距离较长，温度跨度较大。 ( 4 ) 从配光镜左上角到右下角温度逐渐降低，但在小范围内会有波动。 结合灯内的空气流动特性，可以知道出现上述结果主要是由于灯泡点亮后由 于灯罩的作用，部分由于气体受灯泡加热后密度减轻而上浮，热空气首先对灯体 壁面即反光镜进行加热，沿着反光镜向前到达配光镜并对配光镜的上部加热。此 后，空气逐渐冷却，在重力场中，冷表面遇到热流体，会形成自然对流边界层。 这时流体受到下沉力，冷却的空气沿着配光镜表面向下移动，最后到达右下角， 空气的温度到达最低值。 从车灯的结构上来看，左上角区域靠近灯泡及灯罩，能够直接接受灯泡和高 温的灯罩的辐射。相反，右下角区域相对而言远离灯泡的辐射，并且空间狭窄， 不利于空气的流动，因此温度较低。 此外，由于配光镜的热导率比较低，属于热的不良导体，并且温度分布不是 绝对均匀。因此，使得路径上温度分布曲线不光滑，产生局部波动。 最后，由于车灯在设计过程中仅仅从外观和工艺上进行了考虑，没有进行热 设计，导致了配光镜表面温度场的分布不合理。 根据第二章所述的车灯结雾的基本条件，车灯配光镜内表面的凹凸不平以及 空气中的尘埃提供了凝结核心。车灯内灯泡、灯罩以及配光镜之间的辐射和空气 的自然对流使得车灯内温度分布不均匀，也就是说灯内出现了低温区，这就为结 雾提供了温度条件。因此，配光镜的右下角区域应该是车灯内的结雾区。 4 l 江苏大学硕士学位论文 6 1 温度场试验 第六章试验验1 一j l ：弟、早讽短叛 为了对建立的a n s y s 温度场模型进行检验，需要将计算的各点的值与实际 测得的值进行比较。对车灯配光镜表面温度分布的测量有两种方法： 第一种方法是采用红外热成像仪测量表面温度。使用这种仪器可以进行非接 触式测量，无需对车灯进行破坏，并且有较高的灵敏度，能够一次对整个配光镜 表面的温度分布进行测量，保证了测量到的各个点的温度是在相同的工作条件下 得到的。但是，红外热成像仪只能对配光镜的外表面进行测量，而无法测到其内 表面。在测量中，由于配光镜的辐射率比较高，接近于1 ，可以将热成像仪的温 度场近似看作配光镜表面的温度场。如果对一些辐射率不是很高的物体，在测