摘要：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。本文分析了车灯的传热特性以及车灯结雾问题的原理。
关键词：车灯；流场；温度场；传热；有限元
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（heat conduction）、热对流（heat convection）和热辐射（thermal radiation）；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（steady heat transfer process）和非稳态传热过程（unsteady heat transfer process）。
1.1 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。
1.2 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（forced convection）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。由于灯壳和面罩直接与外界接触，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（natural convection）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。因此灯丝与灯泡玻壳、灯泡玻壳和面罩、灯泡玻壳和灯壳以及灯泡玻壳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。
2、温度场与温度梯度
温度场指某一瞬时物体内各点的温度分布状态，它一般可表示为空间坐标和时间的函数。在直角坐标系中表述为:t＝ʄ（x,y,z,t）若物体内各点的温度值均不随时间变化,称该温度场是稳定的或稳态的；若物体内各点的温度不仅随空间位置变化，还随时间变化，则称其为不稳定的或者非稳态温度场。
车灯刚刚点亮时，随着时间的延长，灯泡散发出的热量逐渐增多，并在一定时间内积累。车灯内的温度逐渐升高，此时车灯内的温度场属于非稳态温度场。随着时间的推移，车灯内各个部件之间以及灯壳、面罩与外界的热交换达到平衡。在恒定的工作条件下（如风速一定，车速一定）车灯内各点的温度值将达到一个稳定状态，从而处于稳态温度场。
车灯熄灭时，车灯内的热量逐渐散失，湿度逐渐降低，此时又处于一个非稳态温度场。最终，车灯内的温度与外界一致。因此，我们将稳态热分析作为分析温度场的最后一步，用以确定系统在稳态时所处的状态。物体内同一时刻所有温度相同的点的集合称为等温面。一个平面与三维物体相交所得的截面中的曲线线条即为平面温度场的等温线。等温线或终止于物体边界，或自身构成一条封闭的曲线。由于等温线可以很好地表示出物体内的温度分布状况，所以我们在最后的分析中用等温线（面）的形式来表达车灯内的温度场。
在具有连续温度场的物体内，过任意一点P温度变化率最大的方向位于等温线的法线方向上。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆过P点的最大温度变化率为温度梯度，用grad t表示，grad t＝∂t/∂a×n＝∂t/∂x×i+∂t/∂y×j+∂t/∂z×k式中，ｎ表示点аP等温线法线方向的单位矢量，i、j、k别代表坐标轴上的单位矢量，温度梯度是矢量，其正方向指向温度增加的方向。
3、灯结雾原理分析
当蒸汽的温度由于某种原因降低到与压力相对应的饱和温度以下时，便发生凝结，释放热量，同时由气态转变为液态。凝结有多种形态，可分为：表面凝结（膜状凝结、珠状凝结）；均相凝结。由于车灯结雾主要是表面凝结，因此我们只讨论这种类型的凝结机理。如果凝结液能够很好湿润固体表面，就会形成一层连续的液膜覆盖住壁面，并在重力作用下沿竖壁下流，这种凝结形态称为膜状凝结。如果凝结液不能润湿表面，则大大小小的液珠以近似球形的形状散布在壁面上，这种凝结形态称为珠状凝结。
蒸汽在冷表面上究竟形成哪一种凝结形态，取决于凝液的表面张力和它对表面附着力的相对大小。若前者较大，就形成珠状凝结，反之形成膜状凝结。珠状凝结严重影响汽车车灯的照明和外观，而膜状凝结由于是均匀分布在车灯表面，因此对光学性能和外观没多大影响。车灯面罩的材料是合成树脂，是一种水所不能浸润的材料，表面张力较小，因此发生的凝结是珠状凝结。车灯结雾必须具备几个基本条件：①车灯内的空气中必须含有足够的水蒸气，即水蒸气至少要达到饱和状态。②与饱和蒸汽相对应的温度称为饱和温度，车灯内必须存在温度低于饱和温度的区域。③车灯内部要有凝结核心。如面罩表面上的灰尘颗粒以及表面凹坑或者划痕之类。
车灯内要结雾的第一个条件就是要有水蒸气，水蒸气的来源主要来自两个方面，一个是车灯内空气循环流动时将环境中空气所含的水蒸气带进去了；另一个就是车灯内含有积水，在车灯点亮时加热后受热蒸发形成的水蒸气。对于车灯内不存在积水的情况，周围空气中水蒸气的凝结是结雾的主要原因。这种现象在外界环境湿度较大的雾天或者雨天比较明显。开始车灯处在空气湿度较大但温度较高的环境中，当环境温度降低时，若车灯内的水蒸气不能很好流动而带到外界环境中，仍然维持较高的浓度，则当车灯内存在温度低于饱和温度的区域时，就会出现结雾现象。
在大多数情况下，车灯内积水蒸发形成的水蒸气是造成结雾的主要原因。车灯点亮时，灯泡周围的温度急剧上升，通过辐射，车灯内积水经过了一个定压加热的过程。开始，水的温度逐步升高，当温度升高到相应的饱和温度后饱和水逐步汽化，并且通过空气的对流和扩散，水蒸气被送到车灯的各个角落。由于车灯结构以及散热多少的不同，车灯内部温度分布不均匀。当温度较高、湿度较高的空气流到温度较低的区域时，如果温差达到一定程度，那么其中所包含的一部分水蒸气就有可能凝结成雾气。
通常情况下，如果车灯的密封性能较好，没有外界的水直接渗透进车灯内。第二种情况往往是在前者累加之后发生。也就是说，由于外界环境中的湿气在车灯内不能被很好的排出，导致车灯结雾，形成珠状凝结。小液珠会逐步合并并且沿着车灯内表面流下，积聚在车灯的下面，形成积水，为第二种情况的结雾奠定了基础。车灯内的积水来源有四种途径：①对于不密封的车灯，由于其结合部件之间的缝隙较大，周围环境中的水分直接通过缝隙渗透进去。②车灯点亮时，灯内空气受热膨胀压力增大，相反，车灯熄灭时，空气遇冷收缩，由于这种工作时形成的压力差，水分会通过各种缝隙和开口被吸入车灯。以上两种情况一般主要发生在可拆式车灯或者半封闭车灯上。③车灯工作时，通过通气孔与外界环境形成换气循环，环境中的水雾有可能在循环过程中被带入车灯，形成积水。④车灯内的结雾不能很好的消除，达到一定程度后会形成小水珠，小水珠不断积累，形成积水。
结语：车灯内温度场、流场、水蒸汽浓度分布以及车灯表面材料性质对灯内结雾有较大影晌。其中，温度场和流场又在一定程度上决定了水蒸汽浓度的分布。车灯内温度越高，各区域温度分布越均匀，空气的流动性越好，则结雾的可能性越小。从而产生积水的可能性就会减少，反过来，车灯内积水的机会减少又会进一步使车灯结雾的几率减少，形成一种良性循环。
参考文献：
[1] 张剑. 顾毓沁. 朱德忠. 梁宏.汽车车灯内部流动和传热特性的分析[期刊论文] - 汽车技术 2003(12).
[2] 黄宝陵. 徐小平. 顾毓沁.车灯内部结雾的热分析及应对措施[期刊论文] - 中国照明电器 2001(04).
论文作者:李尊
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/26
标签：车灯论文; 温度论文; 水蒸气论文; 稳态论文; 物体论文; 等温线论文; 空气论文; 《基层建设》2019年第3期论文;