2.2 車窗玻璃結霧試驗研究

2.2.1 前風窗玻璃內表面防結霧試驗研究[3]

1.試驗系統

為了研究前風窗玻璃內外側在不同環境工況下的結霧情況，利用車內環境模擬室和車外環境模擬室搭建了風窗玻璃結霧試驗系統，如圖2-4和圖2-5所示。采用紅線和黃線作為輔助確定玻璃不同區域的間隔線，并在玻璃內外表面紅線間隔線上布置熱電偶和溫濕度傳感器，獲得不同玻璃涂層內外表面換熱系數的測試數據，以及包括表面活性劑、超親水、普通玻璃、超疏水、二氧化鈦、疏油疏水涂層的不同玻璃表面在相同工況下的不同結霧特性。試驗工況見表2-1。

2.玻璃表面對流換熱系數測試

冬季汽車車室內空氣溫度T_c大于車外空氣溫度T_o，在內外溫差作用下，通過前風窗玻璃的傳熱過程將熱量從車內傳到車外（圖2-6），影響傳熱的主要參數是其內表面換熱系數α₁和外表面換熱系數α₂。

車室內（下文簡稱室內）空氣自然對流的情況下，對車窗外表面對流換熱系數進行測試。圖2-7所示為玻璃外表面換熱系數隨車室外（下文簡稱室外）風速變化情況，由圖可知，不管室外/室內溫度是-10℃/20℃，還是0℃/20℃，當室外風速逐漸增加時，外表面換熱系數均逐漸增加；而室外溫度對外表面換熱系數的影響很小，可以忽略。因此，認為外表面換熱系數僅與室外風速有關，滿足工程計算精度，根據試驗測試數據擬合，可以得出前風窗玻璃外表面換熱系數α₂與室外風速v的關系式為

室外風速保持恒定不變情況下，對車窗內表面對流換熱系數進行測試。圖2-8為玻璃內表面換熱系數隨室內風速變化情況。同樣地，玻璃內表面換熱系數隨著室內風速增加而升高，室內和室外溫度對玻璃內表面換熱系數的影響很小，可以忽略不計。根據實驗測試數據擬合，可以得出前擋風玻璃內表面換熱系數α₁與室內風速v的關系式為

為了探討超親水涂層對玻璃內表面換熱系數的影響，在室外風速保持恒定不變的情況下，對超親水涂層玻璃車窗內表面對流換熱系數進行測試。圖2-9所示為超親水涂層玻璃和普通玻璃內表面換熱系數測試值的比較，超親水涂層處理的玻璃內表面對流換熱系數高于普通玻璃內表面的對流換熱系數，相應玻璃內表面溫度也要高于普通玻璃的內表面溫度。造成這種結果的原因與涂層本身改變了玻璃內表面的潤濕特性（超親水涂層玻璃內表面比普通玻璃更光滑），進而對玻璃內表面的換熱過程產生影響，也可能是玻璃內表面增加了一層液態膜導致換熱形態發生了變化。

根據試驗測試數據擬合，可以得出超親水涂層處理的前風窗玻璃內表面換熱系數α_1phil與室內風速v的關系式為

3.玻璃內表面防結霧試驗

（1）不同表面潤濕性能材料防結霧性能研究

選取超親水（涂層型號NC309）、超疏水（涂層型號NC319）、疏油疏水（涂層型號NC312）、表面活性劑（涂層型號NC3082）和TiO₂涂層材料，研究前風窗玻璃采用普通玻璃與噴涂不同表面潤濕性能材料的防結霧性能。

設定玻璃內外兩側一定溫度和風速后，對室內的空氣相對濕度從低到高逐步調節，觀測不同表面的結霧情況，試驗工況為：室外溫度-10℃，風速8m/s；室內溫度20℃，風速1.1m/s，相對濕度從38%變化到90%。圖2-10所示為不同潤濕表面隨室內空氣相對濕度不斷增加的結霧情況，試驗過程中，超疏水、TiO₂涂層和普通玻璃先開始結霧，然后是疏油疏水表面開始結霧；TiO₂涂層表面具有自潔性能，出現先結霧后又變清晰，清晰度超過疏油疏水。

通過大量前風窗玻璃噴涂不同表面潤濕性能材料的防結霧測試，得到如下結論：

1）室內相對濕度達到73%，普通玻璃和超疏水玻璃完全結霧，而此時超親水涂層玻璃依然有很好的可視性。親水性涂層因其接觸角的角θ＜90°而使水滴在涂層表面呈現均勻膜狀分布，減少了結霧對玻璃清晰度的影響。

2）相比于普通玻璃，超親水和表面活性劑能容忍較高的相對濕度不影響玻璃窗的可視性，兩者在結霧時間、結霧時的相對濕度都很相近。

3）超疏水涂層不具有防霧功能，反而會影響玻璃表面的可視性。

4）TiO₂涂層具有自潔性能，TiO₂玻璃表面開始結霧時相對濕度為57%，當相對濕度增加至70%左右時，TiO₂玻璃表面又開始變清晰。

5）五種涂層材料和普通玻璃結霧時表面可視性的排序為：在室內相對濕度低于70%時，親水/表面活性劑＞疏油疏水＞TiO₂＞普通/超疏水；在室內相對濕度高于70%時，親水/表面活性劑＞TiO₂＞疏油疏水＞普通/超疏水。

（2）結霧時玻璃內表面空氣層濕度

在室外風速為8m/s時，不同室內外溫度和室內風速工況下玻璃內表面結霧時的相對濕度的測試結果如圖2-11所示。相同室內溫度下，室外溫度越高，玻璃內表面結霧時空氣層的相對濕度越大，例如室內溫度為20℃、室內風速為1.5m/s工況下，室外溫度為-20℃、-10℃和0℃時的玻璃內表面結霧時的相對濕度分別為31.26%、47.73%和54.31%；相同室外溫度下，室內溫度越高，玻璃內表面空氣層結霧時的相對濕度越低，例如在室外溫度為-10℃、室內風速為1.5m/s工況下，室內溫度20℃和40℃的結霧相對濕度分別為47.73%和39.64%；相同室外風速情況下，室內風速越大，玻璃內表面空氣層結霧時的相對濕度越大，如室外溫度為-10℃，室內溫度為20℃，室內風速分別為1.5m/s、2.5m/s、3.5m/s和4.5m/s，玻璃內表面空氣層結霧的相對濕度分別為47.73%、50.32%、53.22%和56.82%；相同室內外溫差的情況下，室內溫度越高，玻璃內表面空氣層結霧時的相對濕度越大，如室外溫度為0℃、室內溫度為40℃與室外溫度為-20℃、室內溫度為20℃，室內外溫差均為40℃，在室內風速為2.5m/s時，其玻璃內表面空氣層結霧時的相對濕度分別50.32%和34.93%。

圖2-12和圖2-13分別表示了室外溫度為0℃和-20℃情況下結霧時玻璃內表面空氣層含濕量與玻璃內表面溫度作為露點溫度的空氣飽和含濕量，可以看出，結霧時玻璃內表面空氣層含濕量并不等于玻璃內表面溫度作為露點溫度的空氣飽和含濕量，前者要高于后者，也就是說臨界結霧含濕量是玻璃內表面空氣層含濕量，其與玻璃內表面溫度作為露點溫度的空氣飽和含濕量有一個結霧含濕量差Δd₁（圖2-14）。汽車行駛過程中玻璃內表面從開始結霧到結霧一定量影響駕駛人視線需要一段時間，影響駕駛人視線時貼附玻璃內表面空氣層的含濕量要大于玻璃內表面溫度作為露點溫度的空氣飽和含濕量，試驗觀測中也驗證了這一現象。

結霧含濕量差Δd₁受室內外溫度影響很小，主要隨室內風速增加而降低（圖2-15）。根據試驗數據，可以擬合出結霧含濕量差Δd₁與室內風速v的關系式為

根據式（2-4），可以計算出不同室內風速時的結霧含濕量差，例如室內風速為1.5m/s時結霧含濕量差為1.53g/kg，室內風速為4.5m/s時結霧含濕量差為0.7g/kg，在控制前風窗玻璃結霧時，可利用玻璃內表面溫度作為露點溫度對應的飽和含濕量加上結霧含濕量差作為判別玻璃表面是否結霧的依據。

涂有超親水和表面活性劑涂層的玻璃表面，室內空氣相對濕度一直上升到90%都沒有產生結霧。以室內相對濕度90%工況下玻璃內表面空氣層參數作為參考，超親水和表面活性劑涂層玻璃的結霧含濕量差如圖2-16所示。在室內溫度為20℃時，結霧含濕量差為6.98g/kg；在室內溫度為40℃時，結霧含濕量差高達24.26g/kg。涂有超親水或表面活性劑涂層的玻璃表面可極大提升室內高濕環境的承受能力和防結霧能力，從而避免前風窗玻璃結霧影響駕駛安全。

4.小結

通過開展前風窗玻璃內表面結霧特性研究，得出了以下研究結論：

1）根據實測數據擬合出玻璃內外表面的對流換熱系數經驗公式，測試結果發現涂有超親水涂層的玻璃內表面換熱系數值大于普通玻璃內表面的換熱系數。

2）開展了不同表面潤濕性能材料防霧性能研究，得到五種涂層材料加上普通玻璃結霧時表面可視性的排序為：在室內相對濕度低于70%時，親水/表面活性劑＞疏油疏水＞TiO₂＞普通/超疏水；在室內相對濕度高于70%時，親水/表面活性劑＞TiO₂＞疏油疏水＞普通/超疏水。

3）分析玻璃內表面結霧過程和發生結霧的環境工況，得出在發生結霧時，玻璃表面溫度作為露點溫度的空氣飽和含濕量和前風窗玻璃窗內表面空氣層的含濕量存在一個結霧含濕量差，該差值主要受室內風速影響。