280 t礦用車駕駛室空調(diào)系統(tǒng)流場仿真分析

劉 勇，馬 力，李綺文

(武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

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280 t礦用車駕駛室空調(diào)系統(tǒng)流場仿真分析

劉 勇，馬 力，李綺文

(武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

建立了280 t礦用車空調(diào)系統(tǒng)風道的有限元模型，對不同進風口流速情況下的各出風口流速進行了仿真計算，選擇了較為合理的進風口流速。簡化駕駛室整體模型，按照所選擇的進風口流速對駕駛室流場和溫度場進行了仿真，并分析了主駕駛座和副駕駛座附近中性面，以及駕駛員面部附近橫向平面的流場和溫度場，仿真結果表明，所設計駕駛室空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果符合人體舒適性的評價指標。

礦用車；駕駛室；空調(diào)系統(tǒng)；流場；溫度場

大型礦用車作業(yè)環(huán)境惡劣，行駛路況復雜，作業(yè)時間長，因此保證駕駛員的舒適性非常重要。駕駛室內(nèi)溫度和氣流是影響駕駛員舒適性的重要因素，而這種影響可以通過對駕駛室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)控來進行。在駕駛室設計中，對流場進行設計和仿真分析對提高車輛舒適性有很大作用，目前國內(nèi)有關駕駛室流場方面的研究主要針對普通轎車和小型貨車[1-3]，也有針對高速列車的研究[4]，雖然對于大型礦用車具有一定的借鑒意義，但200 t以上的大型礦用車屬于特種車輛，其駕駛室結構、空調(diào)布置形式、風道設計等方面與轎車、客車有較大區(qū)別。因此筆者運用流體動力學和人機工程學原理對280 t礦用車駕駛室內(nèi)流場進行仿真分析，選取合適的設計參數(shù)，確保所設計的駕駛室能滿足人體舒適性要求，節(jié)省了設計成本并為同類駕駛室空調(diào)系統(tǒng)的設計提供了參考。

1 風道流場仿真分析

經(jīng)匹配計算，280 t大型礦用車空調(diào)系統(tǒng)需要的制冷量為4 000 W，空調(diào)風機流量為400 m3/h,空調(diào)功耗為3 000 W，最終選擇某公司的空調(diào)設備。欲對駕駛室在空調(diào)作用下的內(nèi)流場進行設計和仿真分析，首先要進行風道設計和仿真分析，這樣不僅可確定較合理的進風口流速，而且可為駕駛室流場仿真分析提供數(shù)據(jù)和邊界條件。

1.1 風道三維模型的建立

風道設計時要考慮其具體結構和制造工藝對制冷和制熱效果的影響,選擇合理的風道結構以減少流體能量損失,減少能源消耗。一般汽車的空調(diào)風道制造工藝采用鑄造成型，而出于對品種多、批量小、變型快的特種車輛特殊要求的適應性考慮，設計的空調(diào)風道采用管件安裝。設計的280 t礦用車駕駛室空調(diào)系統(tǒng)風道三維模型如圖1所示，各出風口形狀和面積參數(shù)如表1所示。

1、6—側(cè)面玻璃的除霧出風口；2、3、5、7—風道出風口；4—前擋風玻璃的除霧出風口；8、9—風道進風口圖1 空調(diào)系統(tǒng)風道三維模型

1.2 風道網(wǎng)格劃分和邊界條件確定

首先需要將風道三維模型進行適當簡化并將簡化后的風道模型導入到ANSYS ICEM CFD中進行網(wǎng)格劃分，采用非結構化網(wǎng)格劃分方法劃分網(wǎng)格，這樣的非結構網(wǎng)格自適應較好。根據(jù)所創(chuàng)建風道模型的拓撲結構，采用四面體網(wǎng)格robust劃分方法進行風道全局網(wǎng)格的劃分，進出口位置和過度位置的網(wǎng)格宜較密，以更好地模擬真實流場情況。風道網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖2所示。

表1 進出風口面積參數(shù)

圖2 風道網(wǎng)格劃分后的有限元模型

按照圖1的編號順序依次定義出風口，分別為out_1、out_2、out_3、out_4、out_ 5、out_6、out_7，其他表面定義為Wall。假定風道管道內(nèi)是標準狀況下的空氣，不考慮風道管件的熱傳導和熱輻射，風道各個連接位置的密封性能良好。將風道中空氣看作不可壓縮的理想氣體，其空氣密度為1.225 kg/m3，空氣比熱容Cp為1.006 kJ/(kg·K)，熱傳導率為0.024 W/(m·K)，同時選擇常用的Standard k-epsilon標準湍流模型，采用Navier-Stokes方程進行模擬風道的數(shù)值模型，選擇用于處理不可壓縮的低速流體的壓力隱式求解器進行求解[5]。

送風口的流速由壓縮機的排量和轉(zhuǎn)速決定，根據(jù)駕駛室空調(diào)系統(tǒng)壓縮機的排量、轉(zhuǎn)速和進風口的截面積，分別設定進風流速為2 m/s、3 m/s、5 m/s，國家規(guī)定空調(diào)系統(tǒng)的車內(nèi)干球溫度為27±1℃，濕球溫度為19.5±1℃。筆者設定進風口溫度為293.15 K，將風道7個出風口都設定為壓力出口，即出風口的壓力值接近標準大氣壓。將風道的管件部件設定為壁面邊界Wall，風道內(nèi)的空氣在短距離內(nèi)不會發(fā)生過多的能量損失。

1.3 風道仿真及結果分析

筆者研究的是空調(diào)系統(tǒng)對駕駛員舒適性的影響，因此在研究風道流場時只對影響駕駛員舒適度的出風口流速進行分析，即選擇out_2、out_3、out_5進行研究，不同進風口流速下各出風口的平均出風速度如表2所示。不同進風口流速下各出風口截面的流體速度云圖如圖3所示。由圖3可知，當進風口流速為5 m/s時，3個出風口的流速均較大，長時間高流速的冷風會對駕駛員身體健康造成影響，并且會造成能量的浪費；當入風口流速為2 m/s時，3個出風口的流速較小，不宜對礦用自卸車進行快速降溫。對比表2數(shù)據(jù)可以得出在3 m/s的進風速度時，出風的速度符合快速降溫和人體舒適性的要求。

表2 不同進風口流速下各出風口的平均出風速度

2 駕駛室流場模型的建立

2.1 駕駛室有限元模型的建立

駕駛室內(nèi)的結構復雜，內(nèi)飾和設備較多，在劃分網(wǎng)格之前進行模型的合理簡化，簡化后的模型如圖4所示。

用 ANSYS ICEM CFD對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，劃分之前需先定義各個面的名稱，以方便邊界條件的施加。駕駛室前擋風玻璃可以分為3塊，為方便后處理，分別定義3塊玻璃為前右、前中、前左。劃分網(wǎng)格時，將風道出風口處的網(wǎng)格定義得較密，其余位置可定義得較稀，以減小網(wǎng)格計算規(guī)模，網(wǎng)格劃分后的駕駛室有限元模型如圖5所示。

2.2 邊界條件處理

駕駛室內(nèi)的流場可看作是不可壓縮的理想氣體，因為涉及能量的傳遞，所以啟用能量方程，其中空氣密度為1.225 kg/m3，空氣比熱容Cp為1.006 kJ/(kg·K)，熱傳導率為0.024 W/(m·K)，將這些參數(shù)進行設定，求解器選擇基于壓力隱式求解器，同樣選擇常用的Standard k-epsilon湍流模型[6]。根據(jù)駕駛室所選擇各種玻璃的材料參數(shù)，將內(nèi)外溫差設定在20 K，各擋風玻璃邊界條件設定如表3所示。

太陽輻射主要通過玻璃傳入駕駛室內(nèi)，從而干擾內(nèi)流場流體運動，而其余各壁采用隔熱材料進行填充，傳熱系數(shù)較小。假設各壁均勻傳導熱能，取定熱流系數(shù)為44 W/m2；考慮到人體的發(fā)熱量，同樣采用定熱流邊界，取熱流系數(shù)為22 W/m2，將這部分的熱量加載到座椅位置來計算。

圖3 各進風口流速下的出風口截面流體速度云圖

圖4 駕駛室簡化模型 圖5 駕駛室有限元模型

表3 各擋風玻璃邊界條件設定

筆者研究的駕駛室內(nèi)流場是基于空調(diào)壓縮機流速為3 m/s的情況，上述風道出風口在研究駕駛室流場時變?yōu)轳{駛室進風口，根據(jù)風道的有限元模型可得到在風道進風口流速為3 m/s情況下各駕駛室進風口的流速情況，各駕駛室進風口的流速如表4所示。在駕駛員腳部附近設定一個回風口，因為回風口的具體尺寸位置目前難以設定，筆者假設回風口處沒有回流現(xiàn)象，不存在層流干擾，將其簡化為一個較小的矩形，邊界類型為壓力出口。

表4 駕駛室各進風口的流速情況

3 駕駛室數(shù)值模擬計算和分析

經(jīng)過計算得到駕駛室的流場結果云圖，設定主駕駛座位的中性面X=-462和副駕駛座位的中性面X=300來觀察駕駛員和副駕駛附近流場的流速情況和溫度分布，如圖6和圖7所示。由圖6可知駕駛員頭部局域附近有較為微弱的流動，流速約為0.3 m/s，腳部附近流速約為1 m/s；由圖7可知副駕駛腳部附近有較大流動，流速約為2.2 m/s。在空調(diào)室內(nèi)，氣流速度不宜過大，以免使人體尤其是頭部受到激烈風速產(chǎn)生不適，因此氣流速度在0.2～0.4 m/s為宜，而副駕駛腳部設有回風口，流速較快，符合真實的情況，較大的流速可以加快駕駛室內(nèi)的換氣，從而提高整個駕駛室的空氣質(zhì)量，保證其環(huán)境的舒適性。

圖6 駕駛員附近中性面流速云圖

圖7 乘員附近中性面流速云圖

圖8和圖9分別為駕駛員附近中性面和乘員附近中性面的溫度云圖，從圖8和圖9可見，前擋風玻璃附近的溫度明顯高于其他地方，這是因為駕駛室前擋風玻璃為主要輻射傳遞介質(zhì)，這與實際相符，整個駕駛室的平均溫度約為300 K，駕駛室底部溫度較上部高，符合“頭涼腳暖”的要求[7]。

圖8 駕駛員附近中性面溫度云圖

圖9 乘員附近中性面溫度云圖

取駕駛室的橫向截面Z=396來觀察空調(diào)在駕駛員和乘員面部平面的流速和溫度分布情況，分別如圖10和圖11所示。由圖10可知，整個平面流速分布較為均勻，在副駕駛上部和駕駛室中部區(qū)域有渦流現(xiàn)象，流速在1 m/s左右。由圖11可知，整個駕駛室在該平面的溫度也相對均勻，在渦流區(qū)域相對其他地方溫度低1～2 K，這是由進風口的送風形式產(chǎn)生的，其他地方的流速和溫度分布都基本滿足駕駛員和乘員的舒適性要求，整個空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果明顯。

圖10 駕駛員和乘員面部附近的空氣流速云圖

圖11 駕駛員和乘員面部附近溫度分布云圖

4 結論

對空調(diào)系統(tǒng)中的風道結構進行流場數(shù)值分析，通過對比流體仿真得到不同進風條件下的風道出風情況，得到了舒適性較好的進風口流速。按照所得到的進風口流速對整個駕駛室的內(nèi)流場進行仿真分析，得到280 t礦用自卸車駕駛室室內(nèi)不同截面的流體速度和溫度分布情況，較好地滿足人體舒適性，可以為同類駕駛室的設計提供參考依據(jù)。

[1] 王曉明，趙又群．不同進風口方式下汽車流場模擬研究[J]．汽車科技，2009(9)：38-40.

[2] 申緒兵．微型面包車車室溫度場仿真技術研究[D]．成都：西南交通大學，2000.

[3] 孟慶超．汽車車身室內(nèi)流場與空氣品質(zhì)研究[D]．長沙：湖南大學，2007.

[4] 劉杰，李人憲，陳琳，等．高速列車空調(diào)系統(tǒng)及車內(nèi)流場分析[J]．西南交通大學學報，2012(2)：127-132.

[5] 李秀芬，黃妙華．微型電動車車室氣流流場和溫度場的數(shù)值模擬[J]．輕型汽車技術，2006(9)：11-15.

[6] 呂品，束永保，許登科．空調(diào)房間室內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬研究及應用[J]．安徽理工大學學報(自然科學版)，2005(4)：22-26.

[7] 盧小平，余躍進，張川燕．室內(nèi)機位置對室內(nèi)熱舒適影響數(shù)值模擬分析[J]．建筑熱能通風空調(diào)，2008(4)：67-69.

LIU Yong:Postgraduate; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Simulation and Analysis on Flow Field of Air Conditioning System of 280 Tons Mine Truck Cab

LIUYong,MALi,LIQiwen

The finite element model of air conditioning duct system of the 280 tons mine truck was established. The air outlet velocity was calculated by simulation under the condition of different air inlet velocity. Then the reasonable air inlet velocity was obtained. The overall model of the cab was simplified; and the flow field and temperature field were simulated by the choose of the air inlet velocity. The flow field and temperature field near the neutral plane and the lateral plane near the driver's seat and the driver's face were analyzed. The simulation results indicate that the cooling effect of the air conditioning system of the cab is in accord with the evaluation index of human comfort.

mine truck; cab; air conditioning system; flow field; temperature field

2015-07-18.

劉勇(1990-)，男，湖北鄂州人，武漢理工大學汽車工程學院碩士研究生.

2095-3852(2015)06-0860-05

A

TB657.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.043