2.2 车窗玻璃结雾试验研究
2.2.1 前风窗玻璃内表面防结雾试验研究[3]
1.试验系统
为了研究前风窗玻璃内外侧在不同环境工况下的结雾情况，利用车内环境模拟室和车外环境模拟室搭建了风窗玻璃结雾试验系统，如图2-4和图2-5所示。采用红线和黄线作为辅助确定玻璃不同区域的间隔线，并在玻璃内外表面红线间隔线上布置热电偶和温湿度传感器，获得不同玻璃涂层内外表面换热系数的测试数据，以及包括表面活性剂、超亲水、普通玻璃、超疏水、二氧化钛、疏油疏水涂层的不同玻璃表面在相同工况下的不同结雾特性。试验工况见表2-1。
图2-4 试验系统平面图
图2-5 试验系统实物局部照片
表2-1 试验工况
2.玻璃表面对流换热系数测试
冬季汽车车室内空气温度Tc大于车外空气温度To，在内外温差作用下，通过前风窗玻璃的传热过程将热量从车内传到车外（图2-6），影响传热的主要参数是其内表面换热系数α1和外表面换热系数α2。
车室内（下文简称室内）空气自然对流的情况下，对车窗外表面对流换热系数进行测试。图2-7所示为玻璃外表面换热系数随车室外（下文简称室外）风速变化情况，由图可知，不管室外/室内温度是-10℃/20℃，还是0℃/20℃，当室外风速逐渐增加时，外表面换热系数均逐渐增加；而室外温度对外表面换热系数的影响很小，可以忽略。因此，认为外表面换热系数仅与室外风速有关，满足工程计算精度，根据试验测试数据拟合，可以得出前风窗玻璃外表面换热系数α2与室外风速v的关系式为
图2-6 冬季风窗玻璃传热过程
图2-7 玻璃外表面换热系数随室外风速变化情况
室外风速保持恒定不变情况下，对车窗内表面对流换热系数进行测试。图2-8为玻璃内表面换热系数随室内风速变化情况。同样地，玻璃内表面换热系数随着室内风速增加而升高，室内和室外温度对玻璃内表面换热系数的影响很小，可以忽略不计。根据实验测试数据拟合，可以得出前挡风玻璃内表面换热系数α1与室内风速v的关系式为
为了探讨超亲水涂层对玻璃内表面换热系数的影响，在室外风速保持恒定不变的情况下，对超亲水涂层玻璃车窗内表面对流换热系数进行测试。图2-9所示为超亲水涂层玻璃和普通玻璃内表面换热系数测试值的比较，超亲水涂层处理的玻璃内表面对流换热系数高于普通玻璃内表面的对流换热系数，相应玻璃内表面温度也要高于普通玻璃的内表面温度。造成这种结果的原因与涂层本身改变了玻璃内表面的润湿特性（超亲水涂层玻璃内表面比普通玻璃更光滑），进而对玻璃内表面的换热过程产生影响，也可能是玻璃内表面增加了一层液态膜导致换热形态发生了变化。
图2-8 玻璃内表面换热系数随室内风速变化情况
根据试验测试数据拟合，可以得出超亲水涂层处理的前风窗玻璃内表面换热系数α1phil与室内风速v的关系式为
图2-9 超亲水涂层玻璃与普通玻璃内表面换热系数测试值比较
3.玻璃内表面防结雾试验
（1）不同表面润湿性能材料防结雾性能研究
选取超亲水（涂层型号NC309）、超疏水（涂层型号NC319）、疏油疏水（涂层型号NC312）、表面活性剂（涂层型号NC3082）和TiO2涂层材料，研究前风窗玻璃采用普通玻璃与喷涂不同表面润湿性能材料的防结雾性能。
设定玻璃内外两侧一定温度和风速后，对室内的空气相对湿度从低到高逐步调节，观测不同表面的结雾情况，试验工况为：室外温度-10℃，风速8m/s；室内温度20℃，风速1.1m/s，相对湿度从38%变化到90%。图2-10所示为不同润湿表面随室内空气相对湿度不断增加的结雾情况，试验过程中，超疏水、TiO2涂层和普通玻璃先开始结雾，然后是疏油疏水表面开始结雾；TiO2涂层表面具有自洁性能，出现先结雾后又变清晰，清晰度超过疏油疏水。
图2-10 五种涂层材料及普通玻璃的防结雾性能比较
通过大量前风窗玻璃喷涂不同表面润湿性能材料的防结雾测试，得到如下结论：
1）室内相对湿度达到73%，普通玻璃和超疏水玻璃完全结雾，而此时超亲水涂层玻璃依然有很好的可视性。亲水性涂层因其接触角的角θ＜90°而使水滴在涂层表面呈现均匀膜状分布，减少了结雾对玻璃清晰度的影响。
2）相比于普通玻璃，超亲水和表面活性剂能容忍较高的相对湿度不影响玻璃窗的可视性，两者在结雾时间、结雾时的相对湿度都很相近。
3）超疏水涂层不具有防雾功能，反而会影响玻璃表面的可视性。
4）TiO2涂层具有自洁性能，TiO2玻璃表面开始结雾时相对湿度为57%，当相对湿度增加至70%左右时，TiO2玻璃表面又开始变清晰。
5）五种涂层材料和普通玻璃结雾时表面可视性的排序为：在室内相对湿度低于70%时，亲水/表面活性剂＞疏油疏水＞TiO2＞普通/超疏水；在室内相对湿度高于70%时，亲水/表面活性剂＞TiO2＞疏油疏水＞普通/超疏水。
（2）结雾时玻璃内表面空气层湿度
在室外风速为8m/s时，不同室内外温度和室内风速工况下玻璃内表面结雾时的相对湿度的测试结果如图2-11所示。相同室内温度下，室外温度越高，玻璃内表面结雾时空气层的相对湿度越大，例如室内温度为20℃、室内风速为1.5m/s工况下，室外温度为-20℃、-10℃和0℃时的玻璃内表面结雾时的相对湿度分别为31.26%、47.73%和54.31%；相同室外温度下，室内温度越高，玻璃内表面空气层结雾时的相对湿度越低，例如在室外温度为-10℃、室内风速为1.5m/s工况下，室内温度20℃和40℃的结雾相对湿度分别为47.73%和39.64%；相同室外风速情况下，室内风速越大，玻璃内表面空气层结雾时的相对湿度越大，如室外温度为-10℃，室内温度为20℃，室内风速分别为1.5m/s、2.5m/s、3.5m/s和4.5m/s，玻璃内表面空气层结雾的相对湿度分别为47.73%、50.32%、53.22%和56.82%；相同室内外温差的情况下，室内温度越高，玻璃内表面空气层结雾时的相对湿度越大，如室外温度为0℃、室内温度为40℃与室外温度为-20℃、室内温度为20℃，室内外温差均为40℃，在室内风速为2.5m/s时，其玻璃内表面空气层结雾时的相对湿度分别50.32%和34.93%。
图2-11 玻璃内表面结雾时空气层相对湿度
图2-12和图2-13分别表示了室外温度为0℃和-20℃情况下结雾时玻璃内表面空气层含湿量与玻璃内表面温度作为露点温度的空气饱和含湿量，可以看出，结雾时玻璃内表面空气层含湿量并不等于玻璃内表面温度作为露点温度的空气饱和含湿量，前者要高于后者，也就是说临界结雾含湿量是玻璃内表面空气层含湿量，其与玻璃内表面温度作为露点温度的空气饱和含湿量有一个结雾含湿量差Δd1（图2-14）。汽车行驶过程中玻璃内表面从开始结雾到结雾一定量影响驾驶人视线需要一段时间，影响驾驶人视线时贴附玻璃内表面空气层的含湿量要大于玻璃内表面温度作为露点温度的空气饱和含湿量，试验观测中也验证了这一现象。
图2-12 室外温度为0℃时含湿量
图2-13 室外温度为-20℃时含湿量
图2-14 结雾时临界结雾线与玻璃内表面温度为露点温度的含湿量
结雾含湿量差Δd1受室内外温度影响很小，主要随室内风速增加而降低（图2-15）。根据试验数据，可以拟合出结雾含湿量差Δd1与室内风速v的关系式为
根据式（2-4），可以计算出不同室内风速时的结雾含湿量差，例如室内风速为1.5m/s时结雾含湿量差为1.53g/kg，室内风速为4.5m/s时结雾含湿量差为0.7g/kg，在控制前风窗玻璃结雾时，可利用玻璃内表面温度作为露点温度对应的饱和含湿量加上结雾含湿量差作为判别玻璃表面是否结雾的依据。
图2-15 结雾含湿量差与室内风速关系
涂有超亲水和表面活性剂涂层的玻璃表面，室内空气相对湿度一直上升到90%都没有产生结雾。以室内相对湿度90%工况下玻璃内表面空气层参数作为参考，超亲水和表面活性剂涂层玻璃的结雾含湿量差如图2-16所示。在室内温度为20℃时，结雾含湿量差为6.98g/kg；在室内温度为40℃时，结雾含湿量差高达24.26g/kg。涂有超亲水或表面活性剂涂层的玻璃表面可极大提升室内高湿环境的承受能力和防结雾能力，从而避免前风窗玻璃结雾影响驾驶安全。
图2-16 超亲水/表面活性剂涂层玻璃结雾含湿量差
4.小结
通过开展前风窗玻璃内表面结雾特性研究，得出了以下研究结论：
1）根据实测数据拟合出玻璃内外表面的对流换热系数经验公式，测试结果发现涂有超亲水涂层的玻璃内表面换热系数值大于普通玻璃内表面的换热系数。
2）开展了不同表面润湿性能材料防雾性能研究，得到五种涂层材料加上普通玻璃结雾时表面可视性的排序为：在室内相对湿度低于70%时，亲水/表面活性剂＞疏油疏水＞TiO2＞普通/超疏水；在室内相对湿度高于70%时，亲水/表面活性剂＞TiO2＞疏油疏水＞普通/超疏水。
3）分析玻璃内表面结雾过程和发生结雾的环境工况，得出在发生结雾时，玻璃表面温度作为露点温度的空气饱和含湿量和前风窗玻璃窗内表面空气层的含湿量存在一个结雾含湿量差，该差值主要受室内风速影响。