摘    要

车辆供暖、通风和空调(HVAC)系统的设计是为了满足客舱内乘客的安全和热舒适要求。然而，热舒适要求是高度主观的，通常通过对舱内各个位置的速度和温度等参数进行随时间的映射来客观地满足。为了测试空调系统的有效性，对车辆内部进行了热浸及其后续冷却的目标参数模拟。通常，交流性能是通过乘客所在位置的空气温度、热舒适估计以及达到人体舒适状态所需的时间来判断的。模拟长瞬态车辆座舱进行热舒适性评估计算成本高，并且涉及复杂的座舱材料建模。本文对某汽车车厢在可控的气候环境条件下进行了物理试验。耦合方法的结果与热浸和冷却条件下的测试结果很好地相关，并且显著减少了模拟时间。在客舱冷却阶段，使用PMV对乘客的热舒适性进行预测。该过程进一步用于研究玻璃表面特性变化的影响，以预测座舱热环境，如热入口、座舱表面和空气温度。热舒适也进行了预测，并与基线设计进行了比较。对吸波和反射玻璃材料进行了玻璃材料敏感性分析，并对其对客舱表面和空气温度及热舒适性的影响进行了预测。该过程已被部署，并发现对预测车辆水平的热舒适很有用。

01  前    言

目前，空调系统已成为全球汽车的标配。车内的高压空调系统为乘客提供了热舒适性和安全性。乘客通过高压空调系统的空调或加热模式实现热舒适，气流通过仪表板通风口或次级通风口(如控制台、B柱、C柱或车顶通风口)引导。此外，除冰过程通过使用HVAC的加热系统提高驾驶员的能见度，确保了乘客的安全。高压交流系统是影响传统车辆燃油经济性和尾气排放的主要辅助负荷，也会影响电动汽车的续航里程。

了解车辆在停放和行驶过程中车厢内的热积累情况是非常重要的。由于客舱表面材料层数的不同和表面厚度的变化，客舱的高压交流热负荷估算比较复杂。基于仿真的车厢内气流和温度图可视化对研究通风系统在设计初期和最终生产阶段的有效性具有重要意义。由于建模的瞬态方面的加入以及辐射仿真的复杂性，使得上述过程的计算成本很高。需要利用仿真技术对车内环境进行建模，以估计车内空气和表面温度等不同参数下的舒适性和空调系统的有效性。这些舱内环境参数对人体生理的影响可用于确定乘客的热舒适性。利用热生理模型可以对人体与周围环境之间发生的复杂换热过程进行数学模拟，以评价人体的生理反应。这些舒适模型大致可分为;生理基础还是环境基础。这些模型的计算输出——核心温度和皮肤温度——被用作热感觉模型的输入，该模型预测热舒适和热感觉。

气候室条件下的舒适性模拟尚无文献报道。在上述条件下，不探讨玻璃性能对热舒适的影响。目前的工作是利用基于LBM的PowerFLOW和PowerTHERM软件的耦合方法进行瞬态仿真。该工艺适用于气候室的热浸和冷却条件。本文对试验结果和仿真结果进行了比较。用于模拟环境参数阶段的工具是用于辐射和传导建模的PowerTHERM，以及用于对流建模的PowerFLOW。在冷却模拟过程中，这里添加了热舒适结果。这一过程进一步扩展，以研究玻璃性能的变化对车内乘客热舒适的影响。

02  仿真设置

本文考虑热浸和冷却过程。热求解器模拟辐射和传导现象，流动求解器模拟对流换热。在耦合过程中，流动求解器将各单元的表面换热系数和流体温度提供给热求解器。两种求解器创建的表面网格是不同的。对于热求解器，四边形网格用于热浸和冷却。在冷却过程中，首先用细网格进行几秒钟的流动模拟，以解决间隙和通风口周围更精细的流动细节。然后采用速度冻结法对长瞬态热冷却过程进行粗网格模拟。冷却中的速度冻结有助于减少总体网格计数和随后的热模拟运行时间，而不会牺牲从流动模拟中获得的映射流动结果的准确性。分析的领域包括整个车内的管道、通风口和通风口内的百叶机构。车门、车顶、座椅、地板保温层(含气隙)等部件的热质量和传导效应建模为多层部件，如图1所示。

实验中使用的热电偶由无量纲探头表示，该探头记录舱内每个指定位置的温度。探头放置在仪表板、侧玻璃、座椅、地板、挡风玻璃、车顶和车门上，以测量表面温度。图2显示了放置在所有部件的热电偶的表面温度探头。下面的图3显示了用于测量所有乘客呼吸水平位置空气温度的空气温度探头。

图1 多层零件的分层方法

图2 表面探头

图3 空气探头(呼吸水平)

对于太阳热浸，模拟模型包括管道、通风口和通风口内的百叶进行建模。机舱被认为形成一个完整的水密内部几何形状(图4)。初始条件是根据捕获的测试初始条件提供的。其他设置视舱内条件而定。零件采用标准的材料特性，假设整个零件的厚度是恒定的。

图4 模拟座舱几何形状

表1 仿真输入设置参数

03  研究内容

舱室太阳热浸

如图5和图6所示，由于暴露在通过前挡风玻璃的灯辐射下，因此在热浸结束时，仪表板和前挡风玻璃处观察到最高温度。前风挡玻璃的朝向、面积和性能对车内温度的升高起着重要作用，包括但不限于仪表板表面。

图5 乘员舱内部温度分布

图6 乘员舱外表面温度分布

在热浸结束时沿车辆Z轴观察温度分层的影响，如图7所示。舱内空气温度的差异可以清楚地看到，车顶附近的空气温度约为65-70°C，乘客脚附近的空气温度约为50-55°C。

图7 Y=0截面处的温度云图

图8显示了仿真和实验的表面温度对比。这里考虑了舱室的主要内部表面和玻璃表面，以便与试验进行比较。大部分发现的表面温度偏差与测试结果相差3℃。观察到的方向盘温度最大偏差为7°C，这是由于方向盘表面用厚度建模。热惯性建模不准确，可以通过powerTherm软件的实体建模进一步改进。

图8 表面温度(热浸结束)

对于仪表板，由于多层零件厚度的简化模型在有效表示热惯量方面存在局限性，也出现了类似的趋势。考虑到模型的尺寸，进一步研究座舱部件的实体建模是一个挑战，但为了提高精度，这是未来需要考虑的问题。

图9显示了驾驶员、副驾驶员和后排乘客呼吸水平探头测量和模拟的空气温度对比。在乘客呼吸水平观察到良好的相关性，空气温度和偏差在1°C以内。CAE模型较好地捕捉了热浸阶段的自然对流。

图9 呼吸水平温度

舱室冷却

通风口内百叶的方向设置为直接流向乘客的脸，类似于实际实验的通风方向。图10显示了舱内的流线。图11显示了舱内表面温度。将表面温度仿真结果与实验值进行比较(图12)可以看出，大多数表面的差异为3-4℃。由于热惯性不能准确地捕捉到表面厚度，因此在测试中预测的表面温度较低，而实体建模将改善与建模中额外复杂性的相关性。仪表盘表面温度偏差与测试值相差6°C。需要仪表板实体建模来准确地表示热惯性，以提高热浸阶段和冷却阶段的相关性。在呼吸水平，测试和模拟之间的温差比热浸阶段有所增加。如图13所示，该差异可达3°C，这在测试和模拟过程中测量探头位置的冷却阶段受到流量波动的影响。测试中使用更多的热电偶，模拟中使用更多的探头，将减少相关性的差距。

图10 乘员舱内流线

图11 冷却结束时舱内的温度

图12 冷却结束时的表面温度

图13 呼吸水平温度

玻璃敏感性研究

本工作研究了两种玻璃方案(表2)，其中方案1采用全吸收玻璃，方案2采用反射前挡风玻璃，并根据方案1采用其他玻璃，在此讨论模拟结果。在方案1和方案2中，前挡风玻璃的玻璃透光率分别比基础工况的玻璃透射率降低了15%和35%。

表2 不同玻璃模拟方案

（一）热浸工况

在模拟玻璃方案1和方案2时，使用了与基础工况类似的腔室条件。在热浸结束时，与基础工况相比，在方案2中可以观察到显著的温度降低(图14)。在方案1中，仪表板温度降低8°C，然而玻璃温度高于基础工况，这是由于玻璃的吸收率(图15)。

图14 热浸结束时的表面温度

图15 热浸结束时零部件表面温度

（二）冷却工况

在冷却结束时，方案2在仪表板处观察到温度降低了23°C(图16和图17)。在方案2的冷却过程中，后挡风玻璃温度升高，而前挡风玻璃温度降低。与用于后挡风玻璃的吸收玻璃相比，前挡风玻璃由反射玻璃制成，反射入射的太阳辐射，仪表板和包裹架上的温度降低有助于降低冷却期间的机舱温度。方案1的玻璃具有吸收性，由于辐射和对流增加了客舱内的热量，从而提高了客舱内的温度。图18显示了在测试中监测温度的乘客的呼吸水平位置。与基础工况相比，方案2中的呼吸水平温度在浸泡结束时降低了8°C，在冷却结束时降低了1°C(图19-22)。

图16 表面温度30min冷却结束

图17 冷却30min时的表面温度

图18 呼吸水平位置

图19 驾驶员呼吸水平

图20 副驾驶呼吸水平位置

图21 后排RH呼吸水平位置

图22 后排左侧呼吸水平位置

（三）热舒适性比较

热舒适预测使用伯克利舒适模型。热舒适预测驾驶者坐在车辆冷却期间。驾驶员坐位被认为是不活动的标准男性，分为16个身体部位。司机的夏季着装:全袖衬衫、裤子和袜子。局部热感觉和舒适度采用Berkeley舒适度计算，PMV采用Fanger模型计算。采用Berkeley舒适模型，给出了PMV的计算结果。预测平均投票是9分量表，它的范围从-4，这是非常冷的+4，这是非常热。特定部位的舒适状态在-1到1之间。

以下是不同玻璃方案下驾驶员的热舒适性与基础工况的比较。下面的图23-25显示了在冷却期间不同人体部位的PMV值。黑色区域是身体舒适的部位。

可以观察到，在方案2的情况下，驾驶员在10分钟内达到舒适状态。因此方案2显示了减少车内热量的潜力，让驾驶员在比基础工况更短的时间内体验舒适的环境条件。

图23 冷却第5分钟时的PMV

图24 冷却第10分钟时PMV

图25 冷却15分钟时的PMV

在方案2中，驾驶员在20分钟达到舒适状态，而在方案1中，驾驶员在24分钟后进入舒适区(见图26)，因此在车内安装方案2的玻璃将有利于更早地实现热舒适。

图26 全身PMV指数

04  结    论

1. 本文开发并应用于汽车座舱分析的耦合仿真方法，对座舱热参数(包括舒适性)的建模非常有效。

2. 采用模拟方法对气候室条件进行模拟，结果与试验结果吻合较好。地表温度和空气温度很匹配。进一步的建模改进可以用实体建模准确地表示热惯性。

3.与基础方案相比，反射玻璃在热舒适方面表现更好。该方法在早期设计阶段预测热舒适和设计改进研究中被发现是有用的。这一过程需要在室外天气条件下进一步验证。