基于CFD的中型客车客舱热舒适性预测及实验验证

摘    要   

本文提出了一种预测中型客车客舱内热舒适性的方法，目的是修改暖通空调(HV AC)管道设计和参数优化，以提高乘员的热舒适性。为此，从基线CAD模型中提取巴士腔体，包括具有各种座位位置的全坐式人体模型。计算模型中考虑了太阳能负荷，根据BSR/ASHRAE 55-1992R标准考虑乘客热负荷。CFD模拟预测了基线模型下客舱内的空气温度和速度分布。实验测量已按照APTA-BT-RP-003-07标准中设定的指南进行。根据EVS EN ISO7730标准对CFD和实验测试结果进行分析，并根据PMV和PPD等热舒适参数计算乘员舒适度。这些参数基于7点热感觉量表，该量表定义了客车客舱内乘员的热舒适。计算结果与实验结果吻合较好。

01  前    言 

中型客车在美国，英国，乌克兰很受欢迎，现在在印度巴士市场也是如此。它的设计、建造目的是为了运输载客量在23至34人之间，加上司机和乘务员。由于全球气候变化不稳定，夏季炎热变长，冬季变短，因此，客车上的客户都希望使用高压空调。客户还需要一个有前途的高压空调机组，它不仅能在波动的环境温度下有效地保持热舒适，而且有助于达到BSR/ASHRAE标准55-1992 r的a级舒适性。客车高压空调的设计是为了在高速公路和城市交通等波动的驾驶条件下保持热舒适。客车高压空调风道设计用于输送空调空气，对空气进行分流，使客舱内的空气温度分布均匀。本文提出了一种基于CFD的中型客车客舱热舒适性预测方法，并通过实验验证了预测结果。由于全球气候变化不稳定，在汽车、航空、建筑环境等主要领域出现了热舒适问题，客户对空调的需求正在增加。由于包装空间有限和来自玻璃的太阳辐射，热舒适问题被观察到。在设计客舱时需要考虑这种热负荷。由于客舱内部变化较大，客舱内无法保持均匀的热舒适。这也取决于坐在机舱内的乘客的生理状况。这使得很难满足每个乘客在客舱空间的个人舒适度。每个地方和每个人所需的舒适舱内环境条件都不相同。本研究预测了不同热负荷下机舱的热舒适性，如图1所示。

这种热负荷与客舱热舒适性相互作用，导致客舱温度升高。客车客舱是绝缘的，可以在长时间行驶时保持低温。为了利用CFD和实验验证预测中巴车客舱内的热舒适性，客车车身面板采用了热冷保温，地板采用了聚氯乙烯片隔热，玻璃上涂有紫外线保护膜，防止这些侧舱热负荷。客舱整体舒适度是根据来自不同乘客的热负荷和考虑客舱灯热负荷来确定的。

图1  采用前置发动机的中型客车客舱的典型热负荷

02  仿真模型

研究表明，不同类型公交车的热舒适性随乘客座位配置的不同而不同。在本案例中，热舒适性研究了一辆右驾驶的中型客车，包括司机和服务员，可容纳25名乘客。图2显示了一辆中型客车典型的25名乘客座位配置。

图2  25座中型客车的座位配置

在目前的分析中，如图3所示的典型人体工程学假人被转换成如图4所示的座位乘客模型。

据推测，人体模型的手与胸部和腹部相连。根据ASHRAE 55-1992R，座位乘客的代谢率为60W。在此基础上计算了人体总表面的热流密度，约为36.75 W/m^2。

图3  APTA标准舒适模型人体部位的研究

在人体模型的清理过程中，相交的表面被删除。假设由于座椅材料的导热系数较低，人体模型到座椅没有直接的热损失。人体的温度分布取决于人体周围的速度分布。

图4  在中型客车上，人体模型的清理和座位位置

03  结果分析  

预测CFD结果讨论

图5所示，进入客舱的最大太阳热通量为25.14 W/m^2。太阳热通量最大的位置在玻璃窗处。图6所示，最大太阳热通量入射在公交车的左侧。这是由于上述日期、时间和地点的太阳方向。以上太阳热通量等高线有助于确定不同地点的太阳辐照量。

图5  外部部件的太阳热通量轮廓

图6  内部部件的太阳热通量轮廓

图7展示了母线外表面的温度曲线。外表面观测到的最高温度为36℃，与环境温度相当，在高压交流机组流入边界附近观测到的最低温度为18℃。图8展示了风管和人体模型表面的静态温度。可以观察到，风管处于最低温度，因为它含有调节空气，等于18°C的进口空气温度。由于较高的入射太阳辐射，在巴士左侧的人体模型座位上观察到最高温度。

在窗侧的乘客座位上观察到高温，这是由于扩散器在管道表面的法向上开得很大。人体模型的最高温度为36°C，最低温度为23°C。

图7  外表面的静态温度轮廓

图8  车内侧风道和乘客的静态温度

图9展示了公交车左右两侧的速度矢量。观察到，来自左侧风道的气流不会影响到靠近窗户的乘客。因此，为了使靠近窗户的乘客得到均匀的冷却，必须修改风管的设计。图10展示了整个客舱内以速度着色的路线。人体模型是通过静态温度着色的。由于驾驶员舱内扩散器角度不合适，导致气流再循环。此外，观察到客舱后部具有较低的速度。这是由于管道中的压降。这也导致坐在巴士后排的乘客冷却不当。

图9  ISO平面上的RH和LH V速度粒子跟踪器

图10  扩散器空气路径线以速度着色

实验设置细节

      根据APTA标准测量环境温度和湿度的典型位置如图11所示。

图11  实验地点环境温度测量

      下表1显示了上述指定地点的空气温度和空气湿度的测量值。

表1  环境空气温度测量

实验测量表明，车身周围的平均环境温度为36.13℃。开启发动机和高压交流系统后，舱内温度稳定需要15-20分钟。

图12  实验测试时太阳方向

基于实验结果的热舒适性系数

 图13展示了基于实验测量的PMV。可以观察到，头部位置的PMV值要低得多，因为没有衣服覆盖头部。图14展示了基于所有乘客位置的PMV的PPD值。可以观察到，头部位置的PPD值较高的原因与没有衣服的寒冷相同。图15显示了不同位置的相对湿度测量值。这也是评估人体舒适度的参数之一。

图13   基于实验测量的PMV

图14   基于实验测量的PPD

图15   实验测量相对湿度(%)

基于CFD的热舒适性计算

图16展示了根据APTA标准的典型空气温度测量位置。这些位置的空气温度和空气速度是从CFD解决方案中提取的。图17展示了使用CFD绘制的所有乘客位置的空气温度条形图。我们观察到，由于太阳辐射通过窗户和挡风玻璃进入，头部位置的温度较高。柱状图还显示，由于没有阳光直射，腹部和小腿等部位的温度较低。

图16   空气温度测量的典型位置

图17   基于CFD结果的空气温度

基于CFD的热舒适系数

 图18展示了基于预测空气温度和速度使用CFD计算的PMV，还观察到头部位置的PMV比实验中其他位置的PMV要低。图19展示了使用基于CFD的PMV计算PPD的条形图。可以观察到，与实验情况类似，人体模型在不同位置的PPD值较高，因为这些位置没有衣物隔热。

图18 基于CFD结果的PMV

图19 基于CFD结果的PPD

 04  结论  

本文观察到客舱内玻璃的入射太阳辐射较大，导致客舱温度升高。由于向驾驶室方向的风管截面突然发生变化，以及扩散器方向不正确，导致驾驶室内的风量减少，导致温度升高。本文强调了需要优化设计的领域，以实现期望的乘员热舒适。为了实现这一目标，驾驶员和乘客舱内的风管布局、设计和扩散器位置可以进行优化。