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游汪工泣大学硕士学盈论文 汽车车灯温度场研究 摘要 汽车车灯在汽车设计和使耀串占有重要酶地位，它不仅满足汽车流线型设 计，美化汽车的外形，磊且也是汽车安全行驶的一个重要因素，尤其在夜闻或恶 劣天气情况下行驶时，汽车车灯的质量好坏壹接和交通事故的发生率相关。 汽车车灯在使用过程中存在着结雾和热变形等热闻题，这些闻题和车灯温度 场的不合理分布有密切的关系。因此车灯温度场的研究对提高车灯质量有重要的 意义。但车灯温度场分析是个复杂的热力学闯题。国外只有少数研究单位和企业 进行这方面的研究，舀前仅仅停留在理论分析和实验研究阶段，还未到实际应用。 本文的主要 i 俸集串在以下凡方面。 l 、根据车灯结构、实际工作状况和企业车灯设计经验，提出了一种简单快速的 车灯建模方法，在一定条件下，对复杂的车灯结构，只考虑面罩、反射体和 装饰框组成的几乎密封的腔体，并忽略腔内气体的换热。这样的建模方法， 简化了车灯内部的传热方式和几何结构，有很强的实用意义。 2 、根据提出的建模方法，详细论述了车灯的建模过程，尤其是灯泡和灯丝的数 学模型，并研究了反射膜、反射体形状、遮光罩、角系数、发射率、光谱分 析等等对车灯热辐射分布的影响和作用，建立了符合车灯结构与工作状况的 车灯温度场分析模型。 3 、利用h y p c r m c s h 有限元前处理软件、m s c p a t r a n 和m s c n a s w a n 有限元分析 软件对车灯案例进行了计算机温度场分析，得到了满意的结果。 4 、设计了车灯温度场研究的实验方案，并完成了车灯案例的实验。所提出的实 验方案不仅用来验证论文提出的模型的正确性；而且也为车灯设计提供了一 种简洁准确的实验方案。本文还比较了数值分析结果和实验结果，找到车灯 易发生结雾和热变形的区域，提出了具体的改进意见。 汽车车灯的热设计非常复杂，本文的研究只是进行了一些有益的探索，为进 步的研究奠定了基础。本文最后提出进一步研究的设想。 。 关键词：车灯，温度场，热设计，热辐射 漾汪王篷大学硕士学链论文 t h er e s e a r c ho fa u t o m o b i l e l a m p s t e m p e r a t u r ef i e l d a b s t r a c t t h ea u t ol a m p sa r ev e r yi m p o r t a n ti nt h ed e s i g na n du s a g eo ft h ea u t o m o b i l e 。t h e l a m p sn o to n l yb e a u t i f yt h es h a p eo fa u t oa n df u l f i l la u t os t r e a m l i n ed e s i g n ，a tt h e s s l m et i m e ，i ti sa l s oa ni m p o r t a n tf a c t o ro fa n t on m n i n gw i t h o u ta c c i d e n t s ，e s p e c i a l l y i nn i g h t so rb a dw e a t h e r t h eq 诚i t yo fa u t ol a m p si sr e l a t e dw i t h 智a f f i ca c c i d e n t s d i r e c t l y b a s e do nt h el a m p sm i s ta n dd i s t o r t i o np r o b l e m s ，r e s e a r c h i n gt h em e c h a n i s mo f t h e s ep r o b l e m s ，i ti sv e r yc l o s et ou n r e a s o n a b l ea u t ol a m p st e m p e r a t u r ef e l d s ，s o r e a s e a r c ho fa u t ol a m p st e m p e r a t u r ef i e l da t t a c hg r e a ti m p o r t a n c et oi m p r o v i n gl a m p s 叫诹h o w e v e r , t h ea n l y s i so ft e m p e r a t u r ef i e l di sav e r yc o m p l i c a t e dp r o b l e m ，a n d o n l ya f e wi n s t i t u t i o n sa n de n t e r p r i s e sc o n d u c tr e s e a r c hi nt h i sf i e l d ，b u ts t i l lr e m a i ni n t h ep r e c e s so fe x p e r i m e n t s ，n o tp u ti n t op r a c t i c e t h i sp a p e ri n c l u d e sf o l l o w i n gp a r t s ： 1 、b a s e do nt h es t r u c t t t r eo fl a m pa n dp r a c t i c a lm a n u f a c t u r i n ge x p e r i e n c e ，as i m p l e a n dc o n v e n i e n tm o d e li sp u tf o r w a r d u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n , t h ei n t e r i o ra i r t h e r m a le x c h a n g ei nt h ec l o s ec a v ec o m p o s e do fe x t e n s i o n ，r e f l e c t o ra n dl e n sc a l l b ei g n o r e d t h i sm e t h o dc a ns i m p l i f yw a yo ft h e r m a le x c h a n g ea n dg e o m e t r i c a l m o d e l 2 、b a s e do nt h em e t h o d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r o c e s so fm o d e l i n g ，p a r t i c u l a r l yi n m a t h e m a t i c a l m o d e lo fb u l ba n df i l a m e n t , r e s e a r c hi n t h ee f f e c to fr a d i a t i o n d i s t r i b u t i o nb yr e f l e c t o rf i l m , r e f l e c t o r s h a p e ，s h a d e ，a n g l ec o e f f i c i e n t , e m i s s i v i t y , s p e c t n n na n a l y s i s ，a n de s t a b l i s hr a t i o n a lm o d e lf o rl a m pt e m p e r a t u r ef i e l d 3 、u s i n gt h em o d e l i n ga b o v e ，t h ea u t h o ra n a l y z e saf o gl a m pa n dah e a d l a m p s t e m p e r a t u r ef i e l dw i t h m s c p a t r a na n dm s c n a s t r a n , w h i c ha r ef i n i t ee l e m e n t 糕 浙江工业大学硕士学位论文 a n a l y s i ss o f t w a r e 4 、n i sp a p e r g i v e so u tt h et e s t ，w h i c hn o to n l yp r o v e st h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l s i m p l i f y i n g ，b u ta l s oo f f e r sas i m p l et e s tm e t h o df o ra u t ol a m pf a c t o r y a tl a s t c o m p a r e st h er e s u l t so fn u m e r i c a la n a l y s i sa n dt h et e s t ，f i n d sp a r t se a s yt ob e f o g g e do rd i s t o r t e db e c a u s eo fu n - r e a s o n a b l et e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dp u t sf o r w a r d s o m ed e t a i l e di m p r o v i n gs u g g e s t i o n s 1 1 1 et h e r m a ld e s i g nm e t h o do ft h ea u t o m o b i l eh e a d l a m pi sv e r ys o p h i a i c m e da n d c o m e sd o w nal o to ff i e l d s t h em o d e l i n gm e t h o dd i s c u s s e dh e r ei sj u s tu s e dt om a k e s o m eu s e f u le x p l o r a t i o na n dm a k es o l i db a s e m e n tf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h ，b u tt h e r ei s s t i l lal o n gw a yt op u tt h e s ei n t op r a c t i c e i nt h ee n d ，s u g g e s t i o n sa b o u tf u r t h e r i m p r o v e m e n t sa r eo f f e r e d k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ef i e l d , a u t o m o b i l el a m p ，t h e r m a ld e s i g n ，a n dr a d i a t i o n 掇 浙江工娩大学硕士学位论文 符号说明 一固体壁表面温度，( ) 0 一流体温度，( ) 矗一对流换热表面系数，w ( m 2 k ) 瓦一黑体辐射能力，( w l m 2 ) ； o b 一斯蒂芬一玻尔茨曼常数，亦称黑体辐射常数，o b = 5 6 7 xi 0 * w ( m 2 k 4 ) 丁一热力学温度，( k ) 艿一实际物体表面的发射率，也称黑度，其值处于0 - - - 1 之闻 瓯上一黑体光谱辐射力( w m 2 或m 2 i lm ) q 宅卜c 0 2 为第一辐射常数 9 2 吨岛詹一第二辐射常数 卜为普朗克常数，h = 6 6 2 6 1 7 6 1 0 3 4 ) 0 一黑体辐射常数 c o 广黑体辐射系数 岛一定向发射率 颤一光谱发射率 a 一吸收率 p 一反射率 i 透射率 磊辐爵角系数 谚一面单元氆的法线m 与两瑟单元连线的夹熊 吼一面草元幽的瘘线m 与两面单元连线的夹角 弼一面单元谢；的法线 浙江工业穴学硕士学位论文 t 一面单元积，的法线 材1 ( 方向的速度分量、 v 1 方向的速度分量 入一导热系数 p 一密度 c p _ 定压比容 一壁面平均绝对温度，( k ) 0 环境的平均绝对温度，( k ) e 一为系统发射率 a 一换熟面积，( 矗) 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获褥浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标暖。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：虱 日期：2 d 盯年争月2 0 日 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。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 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。 本学位论文属于 l 、保密西在王年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 周躲 阗钙 日期：2d 西年厂月，罗日 ，日期：知砗万月碑日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 【摘要】本章简述了本文的研究背景，明确了本文的主要工作和研究意义，并介绍了相关 课题的研究现况 1 1 前言 汽车车灯在整车中的作用有两点：一是实现照明和指示，保证行车的安全； 二是直接影响汽车外表的美观和个性化服务。随着汽车、摩托车工业的发展， 车辆的安全行驶日益引起人们的关注，车灯作为汽车、摩托车的照明和指示的 工具，被誉为“汽车的眼睛，其性能的好坏对安全行驶起着至关重要的作用， 直接关系到人们的生命财产安全。据统计资料表明，人们在夜间驾车的时间占 全部行车时间的2 0 ，而在夜间发生交通事故的比例却占事故总数的5 0 ，尤 其在恶劣天气情况时这一比例更高。 自1 8 9 8 年首个汽车车灯诞生以后，经过1 0 6 年的演变发展，车灯已经成为 汽车、特别是轿车漂亮的外形和功能的重要构成部分。汽车造型千变万化，而 车灯设计往往是汽车改款设计中最为明显的一部分，被视为汽车的灵魂之窗。 从以往的设计经验来看，不仅前照灯，甚至尾灯，转向灯的设计也都关系着一 辆新车的整体美观及日后销售。随着汽车造型改进和装饰的多样化，照明装置 的制造材料和形状也发生日新月异的变化。在日本，汽车照明光源和灯具的总 产值已达到3 9 5 亿美元。 汽车外装照明灯，有汽车前照灯( h e a d l a m p ) 、雾灯( f o gl a m p ) 、转弯时的方 向指示灯；汽车后部有刹车灯( s t o pl a m p ) 、方向指示灯、与前照灯同时点燃的 尾灯( t a i ll a m p ) 、倒车灯以及车牌照明灯等，另外，还有在汽车玻璃窗等处的高 位刹车灯( c m s l ) 。前照灯、信号灯和雾灯是较常见的三类灯。 前照灯 前照灯包括近光灯和远光灯。近光灯是当车辆前方有其他道路使用者时， 不致使对方眩目或有不舒适感所使用的近距离照明灯具，所以近光在车辆正前 浙江工业大学硕士学位论文 方产生的照度分布，应为非对称的，且具有踞显的明暗截止线。远光是当车辆 前方无其他道路使用者时所使用的远距离照明灯具。 信号灯 信号灯共分为五类：前转向信号灯、后转向信号灯、侧转向信号灯、组合 灯、混合灯。对这种灯的要求是：在给定距离，且一定的危度范围内，能清楚 的看到信号灯具所发射的灯光，最短的视见距离不低于l o o m 。 雾灯 雾灯的光色根据国标要求，为白色或特定的黄色，但其配光方面，由于用 途不同丽不同于前照灯。它是在雾、下雪、下雨或尘埃弥漫有碍能见度的情况 下，为机动车辆改善道路照明和使迎面来的车辆易于发现的灯具。这种灯的特 点是：安装位置低；在配光方面，高于通过灯具中心水平的光线应受到限制。 现在，设计上需要把以前的前照灯、转向灯、雾灯等各种灯具都和车体融 为一体，把这些灯开发成一套组合灯，即前照灯总成。前照灯总成是保障汽车 安全行驶的重要部件之一，前照灯的灯照距离越远，配光特性越好，汽车行驶 的安全性就越高。 从4 0 年代到8 0 年代初，汽车前照灯都是全玻璃密封式，其镜头和反射镜 连为一体，中闯放置热辐射白炽灯，共有6 种形状作为统一规格，由于产品规 范，生产工艺可极大的简化，生产成本低廉，因此几十年一直被广泛地采用。 近年来，由子设计需要和空气动力学特性的提高，汽车的外形呈低侧面和 流线形，导致了前照灯的形状也朝着扁细化、斜面化的方向变化。这种灯的特 点是随着车体形状的流线化，灯面大且趋向细长形，如图1 1 。 图1 - 1 汽车前照灯总成 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 国内外车灯生产现状 车灯的生产工艺流程如图量2 。 2 。 国外车灯生产概况 图l2 车灯生产工艺流程图 国外的车灯制造企业主要有x 渤m a n u f a c t u r i n gc o 。l t d 及其在各大洲的合 资企业、台湾大亿、h e l l a 、v e l i o 、s t a n l y 等。k o i t om a n u f a c t u r i n gc o l t d 是一个具有百年以上历史的灯具设计企业，其自主开发的新产晶、新技术种类 很多，涉及的领域也很广，具有很强的技术实力。 k o i t om a n u f a e t u r i n gc o l t d 是一个包含有汽车灯具设计、航空灯具及灯泡 设计制造、电子产品生产等多个方面的企业，应该说在各个方面都有一些核心 技本。涉及到汽车灯具设计方瑟的技术有如下一些方面h 1 。 1 、配光技术 前大灯、雾灯由于配光方面要求非常严格，而且技术方面也变化很大，所 以k o i t om a n u f a c t u r i n gc o l t d 有专门的配光部门来做前大灯、雾灯的配光。过 去配光花纹大多做在配光镜上，但避几年来，配光花纹已经转移到反射体上来 做，并因此而形成了一些更新的反射镜配光技术。后灯、转向灯等标识灯的配 光技术相对丽言要简单得多，技术方面也变化不大。标识灯配光设计方面，k o i t o m a n u f a c t u r i n gc o l t d 有一套成熟的设计软件和数据库。 2 、耐热计算技术 汽车灯具中，一个重要问题就是耐热问题。在k o i t om a n u f a c t u r i n gc o 。l t d 的k t d 设计标准书上有专门的关于耐热计算的设计标准，可以看出在这方面 k o i t om a n u f a c t u r i n gc o l t d 花了很大的功夫。 3 、材料和注塑工艺研究 西 _ lr 浙江工北大学硕士学能论文 灯具的塑料化、小型鬣：、高热密度纯、使褥灯具孝劣料方面的研究显得菲常 重要。作为注塑产品的生产厂家，k 0 i t om a n u f a c t u r i n gc o l t d 在注塑工艺方面 的研究也投入了大量靛精力。现在勋油m a n u f a c t u r i n gc o l t d 比较重视注塑产 品的薄肉化，主要就是注塑工艺的研究。由于有长期的制造经验，k o i t o m a n u f a c t u r i n gc o 。l t d 在注塑工艺上有很丰富的经验，这些经验很多已写进了标 准书，保证了设计的产品有良好的注塑性。 4 、防雾模拟技术 雾气问题是汽车灯具使用中非常重要的个质量问题，到目前为止，还没 有好的办法和设计标准加以解决。作为重要的质量闻题，k o i t om a n u f a c t u r i n g c o l t d 已将雾气问题的解决摆上了日程。目前已经基本上完成了灯内流动计算 桃模拟，开始进行实际结雾过程瑟研究，计划用两年时闻完成。从完成时间来 看，车灯结雾问题已被摆上日程，急待解决。 1 2 2 国内车灯生产概况 在未来几年中，汽车市场的变化，无疑给汽车配件生产提供了绝佳良机， 同时也提如一系列问题，那就是如何在环保技术改进、产品质量等方面进一步 提高，这样才能从根本上适应市场变化的需求。 车灯行业起步较晚，发展缓慢，与k o it om a n u f a c t u r i n gc o 。l t d 相比，国 内车灯生产企业尚缺乏许多设计必需的软件，例如配光模拟分析，耐热模拟分 析计算等等，以及车灯设计人员设计经验。因此部分企业在车灯新产品开发过 程中，还停留在引进国外的先进车灯模具进行注塑生产的阶段，既使自行开发 的车灯模具质量也很难于与国外同行相媲美。这严重影响了国内汽车车灯行业 的发展，并且从长远来看，也不利于与国外同行的竞争。 ，中国加入耵o ，车灯行业将葱临更严峻的竞争形势，但是竞争也意味着更多 的机会，业内人士称，车灯生产需求量大，我国现有政策优势、市场优势、生 产厂家优势，又有集群型灯饰生产群体等，如把握好离机，定能造就一批生产 汽车、摩托车照明灯的巨头。 一 4 浙t n 人学硕学论女 3 本文主要研究内容 随着车灯技术的发展和市场的进一步需求车灯向更强照度，更低的能耗 以及更长的寿命方向发展。为了满足车灯的这些要求，k o i t om a n u f a c t u r i n g c ol t d 研制了一种新型的前照灯如图卜2 ，这款车灯从2 0 0 0 丌始进行大量生产。 与阻往老式前照灯相比这款车灯具有双倍的寿命三倍的亮度和一半的能耗， 体积较般的前照灯大其面罩材料是透明的，并且兼自侧灯、雾灯和信号灯 等功能。总之这款车灯的设计是独一无二的，且结构非常复杂。但是，这样一 款高效的车灯也存在一些不足，其中最严重的问题是车灯面罩表面的结雾和车 灯的变形问题。这款车灯采用卤素灯作为光源，这种光源热流率非常大，而且 面罩是透明的，表面的雾气非常明显，严重影响了车灯的正常使用，因此对这 款车灯提出了热设计要求。 图卜3 存在热缺陷的前照灯 本文针对车灯的热缺陷机理进行研究，发现结雾及热变形两大热问题都和 车灯温度场的不合理分布有密不可分的联系。因此温度场研究有助于企业的车 灯材料的最优选择和车灯结构的优化设计，从而克服结雾和变形等热问题。 本文拟采用数值计算和实验相结合的方法对车灯的温度场进行研究。考虑 车灯模型的特殊性，为了能进行数值模拟，本文提出简化的几何模型和相应的 物理模型、数学模型井用实验进行了验证，分析了误差存在的原因，并提出 了一系列改进车灯热缺陷的方法。为保证实验能够顺利进行，论文系统的提出 了一套温度实验的方法。 本论文的整体框架结构如图卜4 所示。 浙江工业火学硕士学钕论文 第一章 绪论 第二章 车灯结雾和变形问题研究 j l i 传熬学理论i弋 ， u 第派章 第四章 军灯温度场数值计算算例 车灯温度场数值计算的 数学模型 7 1 呈l 第六章 车灯温度场实验研究 第七章 总结与展望 图1 q 论文结构框架图 1 4 相关课题的国内外研究现状 目前，国外著名汽车厂家在产品开发设计阶段都会进行温度场、流场的模 拟计算，如研究汽车车室内温度场分布的合理性和车室内的气流组织情况，并 根据模拟计算的结果改迸汽车空调系统设计，使汽车车室内的温度场、速度场 的分布更加合理，更好的满足司机和乘客的热舒适性要求。例如美国通用汽车 ： ： ， 公司、日本日产、网本铃木公司等在较早的时候就开始采用数值计算和实验相 结合的方法进行温度场和速度场的研究，并在这方面取得了一定的成果，形成 了自己较为成熟的经验。但在国内汽车界，汽车车室温度场数值计算还处于探 索甚至可以说是空囱阶段，圈前仅有上海交通大学对桑塔纳轿车车室温度场进 6 浙江工业大学硕士学位论文 行了计算尝试，但他们只是采用有限元法进行了二维模拟分析。 对车灯内部的温度场分析也刚刚处于起步阶段，国内清华大学和上海小糸 车灯公司对结雾机理做过一些探索性研究，指出了影响车灯结雾的几大因素。 国外日本东京大学也曾对车灯空腔内的流场进行过一些实验性研究。 w i l l i 锄i m o o r e 等人用a d i n a 公司研发了一个将镜面辐射和流体流动耦 合的计算软件，名为a d i n a - f 。a d i n a fc f d 软件可以用镜面和漫射表面建 立面对面反射、吸收、反射的辐射模型。这个模型和流动传热模型相结合就可 以准确计算复杂车灯模型的温度场。a d i n a f 采用粘性不可压流动模型来处理 空气自然对流。温度预测用稳态迭代来进行。基于以上模型，m o o r e 等人对灯 丝、灯泡、灯室、反射镜等固体的温度进行了计算。结果表明，a d i n a f 软件 的计算结果和用红外热像仪得到的实验数据符合很好，温度差别在1 0 以内。 w i l l i a m i m o o r e 等人的研究工作提供了用数值计算的方法研究车灯热问题的先 例，证明了这一方法有其可行性和准确性。计算用到的模型和结果都为以后的 进一步研究提供了指导。 获2 0 0 3 年中国汽车工业科技进步奖的研究项目：汽车车灯防雾涂层研制与 生产工艺开发，从材料角度来改善结雾等问题，成功研制了车灯用防雾涂料， 由可交联的功能性亲水高分子一非离子表面活性剂( 甲基) 丙烯酸酯共聚物构 成，并由三聚氰胺衍生物与其发生化学交联，经加热固化形成具有良好粘结强 度的优良防雾防霜涂料，实现了永久性防雾加工新技术，同时产生良好抗静电 效果。这项研究成果不仅对材料的本身性能( 透光率、配光、光照老化、高低温、 耐潮、盐雾、淋雨等) 经过严格考核，更重要的是对其应用效果做了如下的全面 考核：车道路跑车考核和出租车的社会车辆跑车考核，委托上海汽车质量监督 检验鉴定试验所作了9 项考核试验，所有技术指标合格。并在海南汽车试验研 究所进行前照灯总成室外大气曝露的相关性试验，取得了有效和可靠的结果。 7 浙江工业大学硕士学位论文 第二章车灯结雾和变形问题研究 【摘要】本章指出了车灯热失效的两种形式：表面结雾和变形，研究了雾气凝结的机理、 形成的三大条件以及影响雾气凝结的因素，表明了车灯温度场研究的意义。 2 1 车灯结雾问题研究 汽车车灯不但要提供良好的照明，而且还要具有良好的美学效果。和旧式 车灯相比，现代车灯的体积、形状和材料都有了很大的改变。在以往的车灯设 计中，光学设计占主导地位，主要考虑光线经反射体反射的光形和照度，且在 这方面的研究主要集中在多曲面反射体和自由曲面反射体的研究上。与光学质 量相比，人们对机械结构和热设计的重视程度就显得要差一点，有的人甚至认 为车灯只要亮，做得粗糙一点没关系。其实机械结构和热设计是光学质量和安 全性能的保证，是灯具质量的重要组成部分，影响到灯具的散热，漏光，平衡， 噪声，易操作性，稳定性，美观等很多方面，这都将直接影响光学质量。 2 1 1 结雾问题的严重后果 车灯面罩是透明的，所以结雾问题的存在，使得车灯照明效果大打折扣， 影响行车安全。车灯内的积水很难排出，形成恶性循环，严重威胁车灯灯泡的 使用寿命和车灯电路的安全，此外水蒸气在车灯反射体和面罩表面的长期凝结 会导致车灯材料腐蚀，材料加速老化变形，并因此带来一系列的问题：雾气形 成对车灯内部的光线的影响，如水珠对光的散射吸收使得车灯的光学性能产生 偏差、失调以及影响汽车的整体美观。目前，车灯的结雾问题，已经成为影响 车灯使用寿命和照明质量的一个重要因素。 2 1 2 灯内结雾凝结机理分析 车灯的淋浴雾气实验主要是创造一个大湿度或类似于下雨天的环境，来观 察车灯实际使用时是否有雾气问题。结合车灯淋浴雾气实验分析雾气形成的典 8 女讧t 太 学位论z 型情况、形成原因以及影响因素。 周围环境变化导致空气中水蒸汽的凝结是结雾的主要原因。此时形成雾气 的主要情形是：车灯开始处在湿度较高温度也鞍高的环境中，车灯内空气的 湿度较大；当环境温度降低时，如果车灯内的水蒸汽不能充分流动扩散到环境 中去，仍然维持高的浓度，当车灯内某些区域温度低于当地水蒸汽凝结临界温 度时，就会出现结雾现象。如图2 1 “1 。 寥豳一 鼻抟睁气菇糌申。 图2 一l 车灯结雾过程 当水蒸汽与低于其饱和温度的表面接触时，根据表面性质的不同，有两种 不同的凝结形式。如果凝结液体能很好的湿润壁面，它就在壁面上铺展成膜， 这种凝结形式称为膜状凝结。当凝结液体不能很好的湿润壁面时凝结液体在 壁面上形成小液珠，这种凝结形式称为珠状凝结。 车灯面罩的材料为合成树脂，是一种水不能缦润的材料，在其表面发生的 凝结是珠状凝结，严重影响了车灯的照明和外观而膜状凝结形成的水膜对光 学性能牧有多大影响而且不影响外观。 车灯雾气产生机理的研究涉及光学、材料学和热物理等多方面问题。从热 物理研究的角度考虑，车灯的雾气的研究主要从三个方面入手，即车灯内部的 流场分布、温度场分稚和湿度分布。 21 3 车灯内雾气形成的基本条件 车灯面罩上要形成雾气必须同时具有下面三个基本条件“1 1 、车灯腔内空气中必须含有足够的水蒸汽： 2 、车灯内必须存在温度低于当地水蒸汽凝结临界温度的区域： 3 、车灯内部必须存在凝结核心。 瓣如 m t n # n 论i 车灯空腔内空气中必须含有足够的水蒸汽 车灯空腔内水蒸气的来源有两种途径，即流入车灯的空气中所含的水燕汽： 车灯内的积水受热蒸发所形成的水蒸汽，如图2 - 2 。 匮酽燮岖母燮咽 赫站燕笈 l l 鞋 水 o t r 一 舭型空鬯 l 环境t | 水份i i 。j 图2 - 2 车灯与环境的水和水蒸汽交换 在人多数情况下，车灯内的积水蒸发形成的水蒸汽是造成结雾的主要原因。 当车灯内的灯泡点亮时，车灯灯泡周围的温度急剧上升，通过热交换使车灯 内的积水受热蒸发，使得在空气温度较高的区域有较大的湿度，水蒸汽通过对 流和扩散作用被输送到车灯的各个角落。由于车灯内部温度分布不均匀，当湿 度较高，温度较高的空气流到温度较低的区域时，其中包含的一部分水蒸汽就 有可能凝结成雾。 积水的形成般有咀下三种途径： i 、由于车灯工况的变化，形成车灯内外的压力差，水份通过各种缝隙和开口 被吸入车灯。所谓进水就是指水份侵入车灯内部，附着在面罩上的现象。 车灯除了由于灯内的温度上升，通过通气管泄压以外，其他部位均具密封 性。要解决前照灯发生进水，事前对故障条件或者使用有否不当的确认也 是非常必要的，可以考虑以下几种状态：( 1 ) 线柬插头未插到位，密封不良； ( 2 ) 灯泡安装部的密封不良；( 3 ) 灯体的开裂：( 4 ) 气管装配不电，如图2 - 3 。 豳瞌 * r t 业太学钡i 学位建立 囱盛 囤2 - 3 乍灯1 密封位置的进水 2 、车灯工作时，通过换气孔与外界环境形成换气循环，环境中的水雾可能被循 环气流带入车灯形成积水； 3 、车灯内部结雾形成的小水珠不断发展积累形成积水。 车灯内必须存在温度低于当地水蒸汽凝结临界温度的区域 灯内的热量的交换直接导致了车灯部件温度分弗不均匀，从而导致了低温 区的出现，一旦存在低于当地水蒸气凝结临界温度的温度区域，就有结雾的可 能。 车灯内部必须存在凝结核心 从物理学知识角度。水蒸汽遇冷凝结，需要有凝结核心。如果没有任何凝 结核心，水蒸汽就是达到饱和状态，也不能马上凝结。在灯腔内，凹凸起伏的 内表面提供了凝结核心水蒸气就可能在这些凹凸不平的地方凝结成液滴，并 且不断扩展。 这三种因素综合作用促成结雾现象的出现。稳定结雾出现的凝结准则是： r ! 生 h i o p l 旺s t1 1 ( 2 一1 ) 其中，r 为液滴半径，d 为液滴表面张力， 坫为汽化漕热，a 为液滴密度 瓦为蒸汽饱和温度，瓦为液滴温度，近似等于当地的空气平均温度。 214 影响水燕汽凝结( 结雾) 的因素 根据上述分析，从热物理角度分析，车灯内温度场、流动场、水蒸汽浓度 江i 业大学砸+ 学i 场的分布和面罩材料的性质是影响结雾的主要因素。温度场、流动场和浓度场 三者之问又是相互影响的。浓度场的分布依赖于温度场和流动场灯内温度分 布越均匀流动越强烈，则结雾的可能性越低。 1 、温度场 温度场分布是影响结雾的最主要因素，根据经验，结雾部位殷位于低温 度区域。车灯内部的温度分布是辐射和对流换热的综合作用的结果。任何阻挡 和削弱辐射或者存在对流死区的设计，都将导致局部温度偏低，在该处容易发 生结雾现象。一些车灯在设计的时候，反射体两端的装饰性部分挡住了灯泡的 辐射，而且狭窄的空阻碍了宅气的对流，就会形成较大的低温区。 2 、流动场 车灯内空气的流动主要是由于温度分布不均匀引起的自然对流。一般来说， 空腔、反射体的形状，灯泡位置、功率，车灯的工作方式以及换气孔的大小、 位置、个数，如图2 - 4 ，部将是影响流动场分布的因素。 一 图2 4 车灯换气孔 3 、浓度场 灯内的浓度场和流动场以及温度场相互耦合，受环境湿度的直接影响，而 且随着灯泡的点亮与熄灭次数的增加，灯腔内的湿度有积累的趋势。 22 车灯变形问题研究 灯泡点亮时车灯温度急剧升高，由于车灯零部件都是高分子材料，热变形 温度较低，所以一旦温度达到其材料的热变形温度时，零部件将发生软化变形 浙江工业大学硕士学位论文 车灯的变形不仅影响了卦观，也影响了车灯的装配和正常使用。所戬车灯设计 时，车灯内部的温度场的研究有助于车灯选材，了解新材料是否能承受车灯内 部的使用温度及判断该材料的耐用性。因此如果提前预知车灯内部温度场的分 布，可以帮助企业节约重复尝试新材料的财力和人力。 不均匀的温度场分布可以导致车灯结雾，两温度场中高温点的出现又导致 率灯变形，综合车灯的这两大热缺陷，使得车灯温度场的研究显得尤为迫切。 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 第三章传热学理论 【摘要】本章首先介绍了传热的三种基本方式：警热、对流和辐射。重点介绍了和本文车 灯温度场研究有关的辐射换热的原理、本质和光谱响应以及黑体、灰体等概念，为第四章 建立合理的物理模型和数学模型奠定了理论基础。 3 。 基本传热方式 由于存在温度梯度焉使热量从一个物体传递到另一个物体，或者由物体的 某一部分传递到其他部分的过程，称为换热过程。换热过程按其物理本质，可 分为导热、对流和辐射三种不同的基本方式1 。 导热是在直接接触的两物体之间或在同一物体各部分之间存在温度梯度情 况下所发生的能量传递过程。完成这一过程的途径有两种：一种是在有温度梯 度存在的固体、液体或气体中，由于分子的相互作用而使相对能量水平较高( 温 度较高) 的分子将能量传绘邻近能量低的分子；另一种是依靠囊由电子的运动 而传递能量。但在引力场下，单纯的导热一般只发生在密实的固体中，因为， 在有温差时，液体和气体中可能出现热对流丽难以出现单纯的导热。 傅立叶( f o u r i e rj ) 在实验研究导热过程的基础上，把热流矢量和温度梯 度联系起来，得到 g = 嘞旦= 一, 乇g r a d t w m 2( 3 1 ) 擞 上式就是1 8 8 2 年由傅立叶提出的导热基本定律的数学表达式，亦称傅立叶 定律，式中的比例系数2 称为导热系数。 对流是固体表面与其上流过的流体能量传递过程。这种过程的完成一方面 依靠流体分子间导热的作用，另一煮嚣还由于流体流动产生位移的作用。所以 一 。 对流换热除了要受导热规律的控制外，还要受流体流动规律的支配，因此影响 传热过程的因素有流体的流动情况、流速、密度、比热、粘度和导热系数等： 计算对流换热的基本公式是牛顿1 7 0 1 年提出的，即 譬= h ( t ，一手，)wm2(3-2) 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 或q = h ( t ，一t f ) 彳 w 詹 f ，一固体壁表面湿度， ，一流体温度， 矗一对流换热表面系数，w ( m 2 k ) 导热或对流都是以冷、热物体的直接接触来传递热量，丽热辐射不同，辐 射换热并不借助予介质，它依靠物体表面对外发射可见和不可见的射线( 电磁 波，或者说光子) 传递热量。物体表面每单位时间、单位葱积对外辐射的热量 称为辐射力，用e 表示，其大小与表面性质及温度有关。对于黑体( 一种理想 的热辐射表面) ，理论和实验证明，它的辐射力黾与表面热力学温度的4 次方 成正比，即斯蒂芬一玻尔茨曼定律： 瓦= c r b t 4 w m 2( 3 3 ) 式中： 既一黑体辐射能力，w m 2 , 一斯蒂芬一玻尔茨曼常数，亦称黑体辐射常数，t r b - - 5 6 7 xl o - sw ( m 2 k 4 ) ； 丁熟力学温度，k 。 一切实际物体的辐射力都低于阕问题下黑体的辐射力，等于 e h = 6 c r b t l w 心 占一实际物体表面的发射率，也称黑度，其值处于0 1 之间。 3 2 热传导微分方程式 要知道物体内的温度场，必须知道t = f ( x ，y ，磊f ) 。为此目的，裳其他数 学物理问题一样，首先要找到描述上式的微分方程。这可以在傅立叶定律的基 础上，借助热力学第一定律，即能量守恒与转化定律，把物体内各点的温度关 _ 联起来，建立温度场的通用微分方程，亦即导热微分方程式。 假定所研究的物体是各向同性的连续介质，其导热系数天，比热容c 和密 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 度p 已知，并假定物体内具有内热源，用单位体积单位时闻内所发出的热量 q v ( 蚶) 表示内热源强度。基于以上假设，嚣从进行导热过程的物体中分割出 个无限小的多面体d v = 出咖出，微元体的三个边分别平行于x ，y ，z - 轴，如图 3 - i 所示删： 圈3 - i 微元体 根据能量守恒与转化定律，导入与导出微冗体的净热量( 1 ) 4 - 微元体中内 熟源的发热量( 1 1 ) = 微元体热力学能的增加( ) 下面分别计算i 、i i 和i m 三项。 i 项： 在单元时间内从左界面方出流入的热流量为q x 矽出经右界面流出的热流 量为g x + 钟批。 在固体传热串，热流量q ( 单霞时闻蠹通过单元面积的热流量) 与温度梯 扭、韶 发面成正比，但是热流方隧与温度梯度方向相反，郾，敷2 以夏，式中天为。 导热系数。显然，热流量n 是工的函数，将热流量按泰勒级数展开并取前两项： 一，+ 警出州篆一a 窘 于是，沿x 方向流入的话流量为： 时叫枇= 譬揪 鸸沿y 方向和z 方黼仝的净髓分撇警础和謦蚴 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 l l 顼： 设由予内热源作用，则在体积d x d y d z 内，单位时间内发出的热流量为 q d x d y d z 。 匿项： 与此同时，在时间d c 内，微元体由于温度上升所吸收的热量为： 矽娶叠赢触 式中： c 一比热，k j c k g k ) ； t 一时间，h ； 夕一密度，姆，搬3 。 根据热量的平衡原理，温度升高所吸收的热量必须等于外界流入的净热量 与内部热源释放的热量之和，邸： 印等d 一- 瞄謦芬+ 争吲一f ) 简化后，得出下面的热传导偏微分方程： 娶酬娶+ 窑+ 并d 2 t ) + 旦 ( 3 - 5 ) 瓦锄萨+ 矿+ + 荔 婚咱) 式中：口一导温系数，口：互，脚2 ，办。 3 3 单值性条件 导热微分方程式是根据热力学第一定律和傅立叶定律所建立起来的描写 ， 物体的湿度随空间和时间变化的关系式，它完全没有涉及到某特定的导热过 i 、 程的具体特点，因此它是所有导热过程的通用表达式。欲从众多的不同的导热 过程中区分出我们所研究的某特定的导热过程，还需对该过程傲进一步的於 充说明，这些补充说明称为单值性条件。一个具体给定的导热过程，其完整的 数学描述应包括导热微分方程式和它的单值性条件两部分。 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 单值性条件一般地说有以下四项： l 、几何条件 说明参与传热过程物体的集合形状和大小。 2 、物理条件 说明参与换热的物体的物理特征。例如，给出参与导热过程物体的热物性 参数c 、入、p 等的数值，他们是否随温度发生变化：是否有内热源，以及它 的大小和分布情形。 3 、初始条件 说明在时间过程中进行的特点。稳态导热过程没有单值性的时间条件，因为 过程的进行不随时间发生变化。对于非稳态导热过程，应该说明过程开始时刻物 体内的温度分布，它可以表示为： f l 瑚= f ( x 、y 、z ) 4 、边界条件 人们所研究的物体总是和周围环境有某种程度的相互联系。它往往亦就是 物体内导热过程发生的原因。因此，凡说明物体边界上过程进行的特点，反映 过程与周围环境相互作用的条件称为边界条件。常见的边界条件的表达方式分 为三类： ( 1 ) 一类边界条件是已知任何时刻物体边界上的温度值，即，i ，= ， 式中下标s 表示边界面，是温度在边界面s 的给定值。对于稳态导热过 程，f ，不随时间发生变化，即，= c o n s t ；对于非稳态导热过程，若边界面上温 度随时间而变化，还应给出r ，= f ( r ) 的函数关系。 ( 2 ) 第二类边界条件是已知任何时刻物体边界上的热流密度值 因为傅立叶定律给出了热流密度矢量和温度梯度之间的关系，所以第二类 边界条件等于已知任何时刻物体边界面s 法向的温度变化率的值。第二类边界 条件可以表示为： 扎地或一知= 警 1 8 浙江工业大学硕士学能论文 式中g 。是给定的通过边界面s 的热流密度，对于稳态导热过程，譬。不随时 间发生变化，即g ，= c o n s t ；对于非稳态导热过程，若边界面上的热流密度随时 间而变化，还应给出q ，兰f ( r ) 的函数关系。 ( 3 ) 第三类边界条件是已知边界面周围流体温度t f 和边界面与流体之间的表面 传热系数h 。 根据牛顿冷却定律，物体边界面s 与流体问的对流换热量可以写为： q = h ( tl 。- tl ，) 于是，第三类边界条件可以表示为： 一