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基于流场和温度场的轿车乘员舱热舒适性分析
2020-07-28 13:56:02· 来源：汽车热管理之家
［摘要］本文中基于流场和温度场分析不同送风温度对轿车乘员舱热舒适性的影响。仿真与实验结果基本一致，表明：在极端炎热条件下，将送风量增加至临界风量附近，
［摘要］本文中基于流场和温度场分析不同送风温度对轿车乘员舱热舒适性的影响。仿真与实验结果基本一致，表明：在极端炎热条件下，将送风量增加至临界风量附近，有利于快速降温，并可避免过强的吹风感。入口温度较高时会使乘员舱降温效果明显变差，但舱内空气新鲜度变化不大。建议在设计空调系统时要考虑舱内空气，包括乘客脚部附近空气的流动与散热，调整风道格栅角度，以避免出现速度死区而造成散热不佳。
前言
我国南方地区夏季非常炎热，部分城市甚至超过40℃。由于乘员舱空间狭小且相对封闭，车内的温度快速升高，温度场不均匀性增大。如果空调系统设计不好，使出风温度和风量较小，车内的流场组织分布不合理，则不能给乘员很好的降温。如果驾驶员长期处于此环境下，容易导致疲劳、精神烦躁和注意力不集中等问题，从而大大增加了发生交通事故的概率。
随着计算机和数值技术的快速发展，越来越多的研究人员开始利用CFD对轿车乘员舱的热舒适性进行研究，如江涛等［1］研究了不同太阳高度角对乘员舱热舒适性的影响。谷正气等［2］通过改进空调风道中所加导流片的3个结构参数提升了空调出风总量和出风比例。唐江明等［3］通过对汽车空调送风格栅优化来改进乘员热舒适性。
已有的研究大多着眼于将PMV-PPD［4］、当量温度［5］、整体热感觉偏差［6］和空气龄［7］作为轿车乘员舱热舒适性评价的指标，如张炳力等［10］和王靖宇等［11］基于PMV-PPD、空气龄和冷负荷等指标分析送风参数对乘员的热舒适性和舱内空气新鲜度的影响。不过较少从流场和温度场的角度对乘员的热舒适性进行深入分析。而本文中主要基于流场和温度场，利用气流组织形式、吹脸风速、呼吸点温度等指标，分析极端炎热条件下乘客的热舒适性，并给出轿车风道送风风量和入口温度设置的系统性意见，对汽车空调的设计有一定的指导意义。
1 乘员舱模型
使用三维建模软件CATIA对乘员舱进行建模，部件包括车体、座椅、内饰部件、风道和假人等。将模型导入到Star-CCM＋中，经过修复、简化和防接触的处理后，使用包面的功能提取乘员舱的内表面，如图1所示。
图1 包面后的乘员舱三维模型
将车顶隐藏后，可清楚看到乘员舱内部的结构：前排安排两名乘员分别为驾驶员和副驾驶员，在仪表盘左、左中、右中和右合计有4个出风口，副驾驶的脚部处开有排气口，如图2所示。
图2 模型内部结构示意图
2 CFD仿真
2.1 基本控制方程
气流在风道和乘员舱中流动是复杂的三维湍流流动。湍流计算的基本控制方程是三维不可压缩雷诺时均N-S方程。
（1）连续方程
式中：矢量u i和u j为平均速度的分量；矢量xi和xj为坐标分量；p为流体微元的压力；ρ为空气密度；C p为比热容；k为传热系数；μeff为湍流有效黏性系数；S T为流体内热源由于黏性作用使得机械能转化为热能的部分。
2.2 网格划分
整个计算模型采用Star-CCM＋中的多面体网格模型，为了计算的准确性，对风道格栅和假人的各个部位等多处进行了加密，并设置两层的边界层，最后得到的体网格数量为4 471 423。划分网格的模型如图3所示。
图3 求解域体网格示意图
2.3 车身材料参数
由于乘员舱模型部件众多，如仪表板、内饰板和胶条等，而且计算模型是施加了太阳辐射影响的气固耦合模型，为了使三维仿真输入的条件更准确，将具体设置每个部件的导热系数、厚度、吸收率、透过率和反射率。为适应实车三维模型的简化，须对厂商提供的部件实际物性进行调整。另一方面，空气从入口经过风道再到送风口的过程中会有1～2℃的热量损失，所以须在风道中设置相应的热导率和厚度。最后调整的结果如表1所示。
2.4 边界条件设定
为了提高计算的准确性，空间离散方式采用2阶迎风差分格式。流场计算方式使用SIMPLE算法。由于乘员舱中的流场比较复杂，部分边界的曲率较大，故使用可实现的K-Epsilon湍流模型。计算域的入口是风道底部，经过风道的分流后再从4个出口中出来，如图4所示。
表1 车身材料参数
图4 风道结构示意图
为保证从风道出来的风量等分，入口采用压力进口。其余的边界条件如表2所示。
3 数值计算仿真与实验验证
3.1 实验条件与工况表
表2 边界条件表
为了检验模型的准确性，以某款车型SUV在环模舱中的整车降温实验结果为对比依据进行验证。环模舱内环境温度保持在（43±0.5）℃，相对湿度为40%，日照量为1 000 W／m2，车内车窗和车门全关，开启内循环模式，驾驶员和副驾驶员各1人，风道送风风量为340 m3／h。
图5 各送风口送风风量和送风温度
3.2 出风口温度和风量验证
仿真编号1＃～4＃，风道入口压力为100 Pa，风道入口温度分别为5.5、6.4、5.6和16.3℃，结果如图5所示。可知在不同的入口温度下左中和右中的送风口风量占比都是最高的，这是因为中间的两个送风风道短且直，阻力较小。仿真总风量平均值为352 m3／h，与实验值相比误差小于3.6%。各送风口的平均风量误差小于4%。
此外，入口温度越高，风道送风温度越高，但是相同入口温度下，左、左中、右中和右送风口温度基本相等。由于空气经过风道会与周围空气进行热交换而产生热损失，使得各风口送风温度均比入口处高1～2℃，仿真的4个出风口的温度基本与实验相符，误差在1℃以内。
经过实验和仿真的对比可知，该模型具备一定的准确性和可信性。
4 基于流场分析热舒适性
4.1 气流组织分析
从图6可知，气流从风道入口进入并经过分流后吹向乘员舱，吹向乘员。此时，一部分气流吹向乘员的手、手臂、躯干和头部，然后经过车顶呈现逆时针漩涡，另一部分气流则是直接经过前排乘员往后排和后备箱流动，接着经过座位底部返回到前排乘员的脚部。此外可以观察到经过驾驶员脚部的气流相对稀疏，因此有可能会导致散热不佳。
图6 乘员舱对称截面气流组织示意图
4.2 吹面风速分析
结合国内外舒适性相关研究和我国国民温度感觉的习惯，夏季将车内平均气流控制在0.5 m／s左右人体感觉最好［12］。过高的吹面风速容易引起乘员的不舒适感。
如图7所示，选取驾驶员对称轴截面位置的速度场进行比较分析，送风风量相同时，不同的入口温度下乘员舱内速度场仿真结果并没有明显的区别。
风道格栅的角度较小，气流直接吹向前排乘员的胸部，使得不同风量下乘客胸部附近的空气流速明显比脸部附近大，如表3所示。通过线性插值得出吹脸风速为0.5 m／s时的送风风量为333 m3／h。350 m3／h风量下的吹脸风速比临界吹脸风速稍大。
图7 乘员舱驾驶员对称轴截面速度场
表3 不同风量下乘客胸部和脸部附近风速
4.3 空气龄分析
平均空气龄［7］，最早由Sandberg在20世纪80年代提出用来综合衡量室内通风换气效果和空气品质的指标，指的是空气由进气口到达室内某一位置的移动时间，反映了空气的新鲜程度。某点的空气龄越小，表示该处的空气越新鲜，空气品质越好。封闭空间中的某一点的空气是由不同空气龄τ的空气组成，设某空气龄的概率分布为f（τ），则某一点的空气龄平均值τp的计算公式如下：
乘客脸部附近靠近鼻子处是乘客直接呼吸空气团的位置，该处的空气新鲜度在很大程度上影响着人的空气新鲜度感受。为方便监测呼吸点附近空气龄和温度，在Star-CCM＋中创建乘客的呼吸点，驾驶员和副驾驶员的呼吸点坐标分别为（1.357，-0.335，0.961）和（1.357，0.335，0.961），如图8所示。
图8 乘员呼吸点位置
选取乘员呼吸点位置的空气龄进行比较，如图9所示。可以发现随着空气入口温度的增加，乘员脸部附近空气龄降低，但是降低的幅度随入口温度升高而降低。因为提升入口温度有利于增强空气分子的热运动，从而提升空气的运动速率，增加乘员舱内的空气新鲜度，但要以降低乘员和乘员舱内降温效果作为代价，且空气新鲜度的提升幅度有限，最多提升3%～12%。在不同的入口温度下，副驾驶员相比驾驶员脸部附近空气龄都要小3 s左右，说明副驾驶员感受到的空气新鲜度要比驾驶员要稍高。
图9 乘员脸部附近空气龄
5 基于温度场分析热舒适性
5.1 乘员舱温度分布
选取驾驶员对称轴截面位置的温度场进行比较分析，如图10所示。可以发现，随着入口温度的提高，驾驶员对称轴截面位置的温度场整体温度升高，说明乘员舱的整体温度升高。靠近送风口位置的温度最低，而后备箱、后排乘员座位底部和乘员脚部位置由于气流不容易流动，致使热量积聚，温度较高。
图10 乘员舱驾驶员对称轴截面温度场
根据经验，夏季车内温度推荐值为23～26℃［12］。乘员的头部、小腿、大腿和脚部等人体主要部位附近空气温度在22～30℃，考虑到此时周围空气正处于43℃的炎热天气，再加上1 000 W／m2的太阳辐射强度，此温度范围尚可接受。
5.2 乘员身体各部位温度分析
分析乘员头、上臂、大腿和脚部等部位表面平均温度，如表4所示，风道空气入口温度越低，乘员身体各部位表面平均温度越低。在相同的条件下，两位乘员的头部、上臂和大腿表面平均温度互有高低，但温差不超过0.5℃。而副驾驶员的脚部表面平均温度却明显比驾驶员的低2.4～5.7℃。说明在一定程度上副驾驶员的热舒适性要比驾驶员的高。结合图2，原因是实车的排气口设置在副驾驶员的脚部上方，使得副驾驶员的脚部附近的空气流动比驾驶员的脚部附近空气流动更加密集，降温效果更加明显。
表4 乘员主要部位表面平均温度 ℃
5.3 乘员呼吸点温度分析
比较前后排呼吸点温度，如图11所示。相同条件下实验值和仿真值最多相差1.2℃。当风道入口温度越低时，前后排呼吸点温度越低，且在相同的条件下，均比该车型企标既定的临界温度值要低，说明此时乘客呼吸点温度满足企业既定的舒适度要求。
值得注意的是，后排乘员的呼吸点温度要比前排高0.5～2.6℃。结合图6和图8，这是因为风道格栅角度较低，使得出风刚好对准了乘员颈部以下的位置，没有对准乘员脸部。此时气流先经过乘员手、手臂、躯干、脸部，再到车顶后逆时针返回，形成涡流。前排乘员的呼吸监测点恰好在该涡流的中心处附近。在漩涡区中心，风速低，热量容易集聚起来，不利于散热，往往会形成高温区，即所谓的“速度死区”。而后排呼吸点则处于气流涡旋的外围，容易散热，所以前排乘员的呼吸点温度比后排高。
图11 前后排呼吸点温度
分析不同入口温度范围对空气新鲜度和呼吸点温度的敏感性，如表5所示，入口温度从9.5到16.3℃，每提升1℃，空气新鲜度仅提升0.75%，小于1%，而乘客呼吸点温度升高2.6%，两者相差3.5倍，说明此温度范围内温度升高对乘客呼吸点温度的影响明显比空气新鲜度大，为提高空气新鲜度而牺牲乘客的降温效果在9.5～16.3℃的入口温度范围内显得不划算。
表5 不同入口温度范围对空气新鲜度和呼吸点温度的敏感性
6 结论
（1）本文中在考虑太阳辐射情况下建立仿真模型，在不同入口温度条件下，仿真与实验相比，风量误差在4%以内，送风温度和前后排呼吸点温度误差分别在1和1.2℃以内，证明建立的模型具备一定的可靠性和准确性。
（2）在极端炎热天气之下，提高送风风量至临界风量附近，既能避免为乘员带来过于强烈的吹风感，又能最大限度地保证降温效果。经过分析，本车型的临界风量在333 m3／h左右。
（3）随着入口温度的升高，舱内空气新鲜度随之升高，降温效果降低。而空气新鲜度对于入口温度的敏感性在当入口温度处于超过9.5℃的较高温范围时，相比乘员呼吸点温度出现明显衰减，进一步说明当入口温度处于较高温范围时为提高舱内空气新鲜度而牺牲乘员的降温效果显得“得不偿失”。
（4）空调系统在设计时需要考虑舱内空气的流动，调整风道格栅角度，避免置乘员呼吸点于气流涡旋中心造成散热不佳，即避免“速度死区”。同时也要考虑脚部附近空气的流动散热。
作者：吕鸿斌1，陈 博2，高天元1，李圆圆1，施骏业1，陈江平1
1.上海交通大学制冷与低温工程研究所
2.安徽江淮汽车股份有限公司
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