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成果分享 | 乘员舱人体热舒适性瞬态仿真方法研究

2024-09-19 17:56:28·  来源：电动汽车产业技术创新战略联盟  
　

为推动电动汽车关键共性技术发展，服务于成员单位技术研发需求，自成立以来，联盟一直持续开展整车及关键零部件前沿、共性技术研究工作，形成了大批研究成果，推动了电动汽车产业技术创新和进步。2023联盟共立项共性技术课题22项，为推动课题交流和成果共享，联盟将持续发布在研课题研究进展和成果，最大化发挥课题研究价值。

乘员舱人体热舒适性瞬态仿真方法

01、研究目的

随着汽车在我国的普及，车内时间的增加使得乘坐空间的热环境逐渐成为消费者、研究人员和汽车厂家的关注焦点。车内热环境不仅直接影响乘客的热舒适性，还影响到他们对车型整体舒适度的评价。如何提升乘客在车内的乘坐体验，已成为研究人员重点攻克的方向之一。当前的研究主要集中在两个方面：一是车内热环境的优化，二是人体对冷热刺激的反应和感知。乘员舱人体热舒适性瞬态仿真方法研究课题由中国汽车工程研究院股份有限公司承担，课题基于以上研究方向，提出了一种用于模拟乘员舱内人体热舒适性的瞬态仿真方法。


02、研究进展与阶段性成果


1. 车体换热路径


要开展人体热舒适性研究，首先需要对车内热环境进行深入分析，尤其是车体的换热路径。乘员舱的主要换热路径包括以下几方面：透明外壳内外表面的对流和辐射换热，以及其内部的辐射穿透；不透明外壳内外表面的对流和辐射换热；不透明内部部件外表面的对流和辐射换热；以及空调进出口与外界之间的热量传递。这些换热路径共同影响车内热环境，对乘客的热舒适性产生直接影响。


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图1 汽车乘员舱换热路径


2. 车体几何结构及热物理属性简化方法研究


基于上述对车体换热路径的分析，结合实际情况，对车体的几何结构和热物理属性进行了简化，具体分为以下几类：

① 透明外壳：玻璃部分

② 与外部环境接触的非透明部件：车身、车门、地板

③ 与内部环境接触的部件：座椅、前控板、后行李箱盖、扶手箱、方向盘

上述材料的初始物理属性根据相关文献中的数据进行了赋值，以确保简化模型能够合理反映实际情况。



3.  车内热环境测试及仿真对比研究

在表1所示工况下进行试验与仿真对比，通过对标修正乘员舱热环境仿真模型，以提高其准确性。在烤车工况下，调整各表面的发射率、透射率等热学参数，同时，通过外流场仿真，计算出不同车速下车辆外表面的对流换热系数，为精确模拟车外环境的热交换提供数据支持。在降温工况下，对流体进出口参数进行修正，以确保仿真模型能够准确反映空调系统对车内热环境的影响。

表1 仿真与试验对标工况

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下图为仿真得到的流场与温度场图

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通过对比仿真结果和试验结果后，对物性进行修正，最终得到如下对标结果，说明仿真已经达到较高精度。

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图4 降温工况乘员舱仿真与试验平均温度对比


4. 车内人体热舒适性计算方法流程研究


在热环境模型搭建完成后，下一步将搭建人体热舒适性模型。在研究人体热舒适性时，建立人体生理组织的精确模型至关重要。课题采用Fiala热生理模型，该模型广泛用于模拟人体的热调节和热传导过程，能够全面反映人体在不同环境条件下的热舒适状态。为了描述人体组织内部的热量传递机制，课题使用了以下生物热传导方程，该方程适用于均匀、体积不限的生物组织，体现了组织内的热传递机制及相关的物理过程：


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上述公式中，公式的左边表示人体组织内部的热传导和换热过程，右边表示人体组织能量变化，式中：

k是人体组织热传导率(W/

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