Otomotiv ön cam buz çözme performansının sayısal olarak modellenmesi ve buzun erimesine etki eden parametrelerin irdelenmesi
Numerical modeling of windshield de-icing performance and parametric evaluation of ice melting process
Yazar: SERHAN TATAR
Danışman: YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kar çözme yöntemi = Defrost method ; Otomotiv = Automotive ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Otomobil iklimlendirme sistemlerinin geliştirilmesinde sürücü ve yolcu güvenliği ile ısıl konfor en önemli parametre olarak görülmektedir. Özellikle şiddetli soğukların olduğu kış aylarında ön cam ve kapı camları üzerinde buz ve buğu tabakasının oluşumu sürücü görüş alanını kısıtlamakta ve sürüş dikkatini dağıtmaktadır. Bu nedenle otomobil kalorifer sisteminin performansı araç klima sisteminin dizaynında önemli  bir yere sahiptir.
Buz ve buğu çözme sisteminin yeteneği, cam üzerinde oluşan buz tabakasının ne kadar hızlı ve efektif çözüldüğü, cam içerisinde oluşan buğunun ise ne oranda temizlendiği ile ölçülmektedir. Sistemin belirtilen bu özellikleri sağlayabilmesinin altında cama üflenen hava sıcaklığı ve üfleci terkeden sıcak havanın cam etrafındaki hareketi yatmaktadır. Sıcak havanın cam yüzeyi etrafındaki dolaşımı camdan buza doğru olan ısı transferini arttırmakta ve cam dış yüzeyinde bulunan buzun erimesini sağlamaktadır. Uygun hava hızlarının ve sıcaklıklarının sağlanması durumunda kalorifer sisteminin buz çözme performansı sürüşün her anında güvenli görüş açısının elde edilmesini sağlayabilmektedir.
Bu tez çalışması kapsamında basitleştirilmiş iki boyutlu bir model oluşturulmuş ve bu model üzerinde numerik çalışmalar yapılmıştır. Model üzerinde buz tabakasının kalınlığı sabit kabul edilmiş ve sistem performansı buzun erimesi ile değil bu tabaka içerisindeki sıvı oranının takip edilmesi ile belirlenmiştir. Fluent programı yardımıyla entalpi-porozite yöntemi kullanılarak türbülans modelinin, sayısal çözüm ağ yapısının, hava jetinin cama çarpma açısının, cam üzerindeki buz kalınlığının ve kullanılan sınır şartlarının buzun erimesine olan etkileri teker teker irdelenmiştir. İki boyutlu analizlerden sonra ağır ticari bir yol kamyonunun kabin içi ve ön cam üfleçleri modellenmiş analizlere üç boyutlu olarak devam edilmiştir. Yapılan numerik analizlerin sonuçları modellenen yol kamyonunun soğuk odada yapılmış test sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Oluşturulan üç boyutlu model ile test sonuçlarının farklılıkları nedenleri ile birlikte ortaya konulmuş, modelde yapılan yaklaşımlar sonuçlar ile birlikte özetlenmiştir.
Tezin ilk bölümünde tezin amacı ve konu hakkında yapılan literatür araştırması paylaşılmıştır. Yapılan çalışmalarda kullanılan modeller incelenerek elde edilen sonuçlar irdelenmiştir. Bu çalışmalardan yola çıkılarak tez kapsamı belirlenmiş ve çalışma kapsamında yapılacak yaklaşım ve kabuller ortaya konmuştur.
İkinci bölümde buz oluşum sürecinden ve otomobil buz çözme sistmeminin çalışma prensibinden bahsedilmiştir. Cama üflenen sıcak havanın cam boyunca oluşturduğu iletim ve taşınımla ısı transfer mekanizması detaylı olarak açıklanmıştır. Cam içerisinde ısı iletiminin üç boyutlu olduğundan bahsedilmiş ve camı oluşturan katmanların ısı iletimine olan etkisi açıklanmıştır. Ayrıca buz çözme performansını etkileyen en önemli iki parametrenin, üflenen havanın sıcaklığı ve hava hızlarının optimize edilmesi olduğu belirtilmiştir.
Tezin üçüncü bölümünde buz çözme mekanizması için kullanılan numerik metotlar ve ilgili eşitlikler paylaşılmıştır. Akış ve ısı transfer eşitlikleri kütlenin korunumu, momentum ve enerji denklemleri yardımıyla çıkarılmıştır. Entalpi-porozite modelinin detaylarından bahsedilmiş buz tabakasının poroz ortam olarak tanımlanması gerektiği açıklanmıştır. Erime modelindeki porozite değerinin sıvı oranına eşit olduğu açıklanmıştır.
Araç buz çözme performansı için firmaların takip ettiği şartnameler ve bu şartnamelerin gereklilik ve içerikleri tezin dördüncü bölümünde gösterilmiştir. Bu şartnamelere uyabilmek için hava üflecinin konumu, hava jetinin cama çarpma açısı, üflecin geometrik yapısı ve sayısı gibi parametrelerin çok iyi şekilde incelenmesi gerekmektedir.
Otomobil ön cam buz çözme testinin yapılışı, aracın teste hazırlanması ve test sırasında kullanılan takip metotları beşinci bölümde açıklanmıştır. Kızıl ötesi görüntüleme tekniği, çizgi takip metodu, lazer ışın tekniği ve dijital fotoğraflama yöntemlerinden detaylı olarak bahsedilmiştir. Üflenen havanın sıcaklığının zamanla değişimi ve ön cama üflenen havanın ortalama sıcaklığı paylaşılmıştır. Motor suyu sıcaklığı test başlangıcında ortam sıcaklığına eşitken, testin başlamasıyla birlikte ısınmakta ve kalorifer peteği içerisinde dolaşan akışkanın sıcaklığı da artmaktadır. Böylece petek üzerinde kabin içerisine üflenen havaya doğru olan ısı transferi artmakta ve üfleme sıcaklığı giderek yükselmektedir. Buna paralel olarak cam üzerindeki buzun erimesi artan cam yüzey sıcaklığı dolayısıyla hızlanmaktadır. Bu bölümde paylaşılan, test sırasında toplanmış olan üfleme sıcaklıkları zamana bağlı bir fonksiyona çevrilmiş ve sayısal analizlerde giriş şartı olarak kullanılmıştır.
Tez kapsamında oluşturulan iki boyutlu ve üç boyutlu modeller ve yapılan analizler altıncı bölümde detaylandırılmıştır. İki boyutlu model Creo programında tasarlanmış, Ansys 15.0 programında çözüm ağı oluşturulmuş ve analiz yapılmıştır. İki boyutlu model üzerinde yapılan parametrik çalışmalar sonucunda, kullanılan türbülans modelinin ve ağ yapısının cam etrafındaki hava hızlarına ve buzun erime süresine önemli derecede etki ettiği gösterilmiştir. Hava jetinin cama çarpma açısı arttıkça erimenin camın daha alt kısımlarında başladığı görülmüştür. Ayrıca buz tabakasının kalınlığının artmasıyla gerekli olan toplam erime gizli ısı miktarı da artacağından erime süresinin uzadığı gösterilmiştir. Araç yan duvarları için kullanılan sınır şartlarının adyabatik ya da taşınım sınır şartı olması durumunda buzun erime sürecinin nasıl değiştiği karşılaştırılmıştır. İki boyutlu modelleme çalışmasının ardından ağır ticari kamyonun yarım kabin modeli oluşturularak erime üç boyutlu olarak analiz edilmiştir. Araç geometrisi CATIA V5 programında modellenmiş, hacimsel çözüm ağı ANSA V15 programında oluşturulmuştur. Katı ağ modeli kullanılarak cam ve buz tabakası örülmüş, buz içerisinde toplam 5 adet, cam içerisinde ise toplam 10 adet eşit kalınlıkta tabaka oluşturulmuştur. Fluent programında entalpi-porozite yönteminden yararlanılarak erime simüle edilmiştir. Soğuk oda test korelasyonu yapabilmek için yan duvarlarda adyabatik ve taşınım sınır şartı karşılaştırılmıştır. Son bölümde sonuçlar detaylı olarak açıklanmış, model için yapılan kabullerin ne derece doğru olduğu tartışılmıştır. Test sonuçlarından yola çıkarak model iyileştirmesi için gerekli olan öneriler paylaşılmıştır.

Abstract:
The safety and thermal comfort of automotive passenger has been considered the most important factors in developing the automotive air conditioning system. Especially the formation of frost on the windshield and front door glasses in the severe cold season is a main cause of veiling the passenger's view and disturbing the driving. Therefore, the performance of automotive defroster is important in the design of an air conditioning system to insure passenger's safety and comfort. Maintaining adequate visibility at all times, with the increased glazing surfaces in today's vehicles and the close proximity of the occupant to the surface, clearing of the driver's vision areas in inclement weather is important. The ability of the windshield defrosting and demisting system to quickly and completely melt ice on the outer windshield surface and remove mist formed on the inner surface is therefore of paramount importance. Modern vehicles are expected to both be able to provide thermal comfort and to insure visibility for safe driving by preventing frost formation on the windows even at temperatures of below -200C.
Frosted windshields are common appearances during the cold season. Frost formation is the phenomenon resulting from breathed vapor that saturates along the inner surface of the windows at below 00C and prevents the penetration of light from outside. The formation of frost is a complex phenomenon that is affected by the temperature, humidity and velocity of the air near the glass as well as by the surface temperature and roughness of the glass, among the other factors. If the weather changes from temperatures above zero to below this point, humidity contained in the air will condense at car windows and subsequently solidify. In addition, temperature changes lead to resolidification of earlier melted snow that was deposited prior to the temperature changes. This quite trivial occurrence makes the use of defrosting techniques necessary as otherwise the car driver's vision would be affected quite enormously. The defrosting of the car's windshield is carried out by blowing hot air against the inside of the pane. This yields growing temperatures also on the outside and finally makes the ice melt. The physical phenomena involved are fluid flow and heat transfer in the air on both sides of the glass as well as inside (conjugate heat transfer) and the phase change in the solidified water. 
Prediction of automotive windshield defrost pattern using CFD is becoming increasingly important as a complement to wind tunnel and field testing to help achieve improved windshield de-icing performance while reducing vehicle development time and cost. CFD simulations have been able to shorten the development cycle and reduce cost. On the other hand, windshield de-icing simulations involve both geometrical complexities as well as complex physics. The efficiency and accuracy of simulation somewhat strongly depend on the simulation parameters. These factors include defroster angle with the windshield, mesh size and mesh type near windshield and defroster outlet, thermal conductivity and specific heat considerations due to the composite laminate windshield, effect of the melting of ice due to the de-icing, turbulence modeling etc. Without considering these effects, the de-icing rates cannot be correctly predicted. 
At the first two chapters, scope of the thesis is explained and a summary of previous studies are presented. The phenomenon for the ice growing over a cold surface and basic terms about the defroster system are discussed in these sections.
The governing equations and the numerical methods employed in the third part of this study. Fluid flow and heat transfer equations are derived from the conservation laws of mass, momentum, and energy. To implement turbulent conjugate heat transfer, the thermal diffusivity has to be modified according to the turbulent boundary layer developed at the solid fluid interface and described by the wall function of turbulence. Instead of tracking the liquid solid front explicitly, Fluent 15.0 uses enthalpy porosity formulation. The liquid solid mushy zone is treated as a porous zone with porosity equal to the liquid fraction, and appropriate momentum sink terms are added to the momentum equations to account for the pressure drop caused by the presence of solid material. Sinks are also added to the turbulence equations to account for reduced porosity in the solid regions.
All of the windshield defrosting system test procedures and performance requirements are explained on the fourth chapter of thesis. SAE recommended practice establish uniform test procedures and performance requirements for the defrosting system of vehicles. It is limited to a test that can be conducted on uniform test equipment in commercially available laboratory facilities. Current engineering practice prescribes that for laboratory evaluation of defroster systems, an ice coating of known thickness be applied to the windshield, left and right hand side windows to provide more uniform repeatable test results, even though under actual conditions such a coating would necessarily be scraped off before driving. The test condition, therefore, represents a more severe condition than the actual condition where the defroster system must merely be capable of maintaining a cleared viewing area. The de-icing performance of a defroster system is normally evaluated by its ability to quickly remove ice layer for the given zones. For instant, SAE J902 requires that 100% "C" zone and 80% "A" zone of the windshield must be cleared in 30 minutes. FMVSS 103 requires that 80% "C" zone of the windshield must be cleared in 20 minutes. To achieve these de-icing performance standards, several design parameters should be considered, such as defroster nozzle out location, air impingement angle, cross-section area of the defroster nozzle and its optimum shape, and finally number of nozzle outlets needed which depends on the vehicle and the packaging space. Among these parameters, the most significant parameter is the impingement angle and air velocity. These two parameters need to be optimized to insure that the air jet leaving the defroster nozzle travels along the windshield without any significant separation from the windshield.
Cold room de-icing test method is explained in section five. Vehicle preparation before the test like ice coating over the windshield and vehicle soaking is detailed in this section. Velocity measurement techniques like hot wire anemometry, hot bulb probe and laser sheet visualization and ice melting tracking techniques like thermal imagining, line tracking and digital photographing are shortly examined. 
Hot wire anemometry provides quantitative velocity measurements that are useful for determining defroster and windshield airflow and validating the numerical simulations. Hot bulb probe is used to measure the velocity and the temperature simultaneously. The principle of this thermal probe is based on a heated element from which heat is extracted by the colder impact flow. Laser sheet visualization involves the projection a sheet of laser light inside the cabin and the recording of the image of scattering particles on a single photographic negative or on a video film. Thermal imagining is used to map the temperature contours on the window outer surface.
In the sixth part of this investigation, parametric study on automotive windshield defrost pattern using CFD was performed about simplified 2D passenger compartment considering shape of grid system, turbulence models, impingement jet angle, convective conditions of the climatic wind tunnel and ice thickness in transient simulation. 2D geometry was modeled by using Creo Parametric 2.0 and meshing is done by Ansys 15.0 program. The objectives are to examine the effects of each parameter and derive the optimized simulation methodology of windshield defrost pattern. After this parametric investigation a 3D model including defroster nozzles, passenger compartment, first row seats and air extractors created by using CATIA V5. These data read into mesh-generated software ANSA V15.0.2 for mesh generation. In solid modeling method, the prism layers were created to model the thickness of windshield as solid elements. Total 10 prism layers are generated with thickness equal to one tenth of respective glass thickness to model the windshield and 5 prism layers with 0.01 mm thickness are generated for ice layers over windshield. A general-purpose CFD solver, Fluent 15.0 is used to simulate the de-icing process. The melting of ice is simulated using phase change model, which is based on the enthalpy-porosity techniques.
The defroster performance simulation is performed in two steps. First, the momentum and continuity equations are solved to determine the steady state isothermal flow field inside the nozzle and the cabin. Then, in the second step, using the steady state solution of the flow field the transient solution of the energy equation is obtained to calculate the temperature of the entire flow domain and the conjugate heat transfer through the windshield and ice layers. Since energy equation is linear, the analysis can be started as steady state to solve for the flow and turbulence equations and then solve the energy equation as function of time on the converged flow field. To simulate the wind tunnel test and the transient nature of the analysis the temperature at the nozzle outlet should vary with time. This is done through user define function to simulate the vehicle warm up curve at duct inlet port. The boundary conditions are assumed to be uniform mass flow (5.66 m3/min.) at the nozzle inlet and constant atmospheric pressure (P = 0.0 Pascal gage) at the outlet. This assumption is considered as no slip boundary conditions. Inlet flow rate corresponds to the vehicle climate control setting of maximum flow/maximum heat in defrost mode. Turbulence is assumed to exist starting at the inlet at 5% intensity level. The initial ice thickness was assumed 0.5 mm, which was evaluated from the amount of sprayed water used, and the overall windshield surface area. The initial temperature in the passenger compartment was -80C.
Grid system applied in simulation affects the flow field and defrosting pattern. In general, the complicate shape of defroster duct and passenger compartment needs much more modeling efforts.    For this reason, it is convenient to use tetrahedral grid
system to construct the computational model. In spite of its convenience, tetrahedral grid system has a shortcoming to simulate the flow field in the boundary layer having large velocity gradient because it has large mesh size near the wall. For this reason, near wall mesh treatment is required to construct the fine mesh layer up to proper location covering the boundary layer. In this study 4 different grid system are checked in terms of velocity prediction around the windshield and inside the cabin. Tetrahedral grid system is used for cabin and for windshield and ice, quadrilateral elements are used. All models have different layer quantities for windshield and ice layer. Except the first model, the all models have near wall treatment. The RNG k-ε turbulence model with enhanced wall functions is used to consider turbulent effect of fluid flow. To check the effect of turbulence models on 2D model, Realizable k-ε, RNG k-ε, Standart k-w and SST k-w model with enhanced wall and scalable wall functions were used for the case 4 grid system. In transient simulation of defrosting, analysis were set to run in case 4 grid, 0.1 second time increments in total time 40 minutes. The thermal boundary conditions were assumed adiabatic at all the outer surfaces. Realizable k-ε turbulence model with scalable wall function cannot predict the ice melting process. Also ice melting process is slower with k-w turbulence models than the k-ε. In addition to grid system and turbulence effect to the ice melting process, different impingement jet angles and convective heat transfer through the cabin wall are investigated. It was found that, there is a slightly effect of air jet angle on total ice melting time. After parametric investigation a 3D model is created to see time dependent melting pattern of ice. ANSA mesh generator is used for 3D model volume meshing. Again, Fluent 15.0 is used for 3D numeric analyses with steady state for momentum and turbulent flow and unsteady analysis for time dependent de-icing performance. Adiabatic and convective thermal wall conditions at cabin outer walls are compared with the defrosting tests results. Since the half cabin model is used, results are compatible with each other.
Finally, in the seventh section, summary of results and suggestions are obtained. The important parameters are determined and validation of chosen correlations is shown. Future works are clarified in order to improve the de-icing model.