太陽輻射下汽車儀表板熱負荷的數(shù)值模擬與實驗研究*

陳吉清，李麗芬，蘭鳳崇，揭敢新

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641； 2.廣東省汽車工程重點實驗室，廣州 510641；3.中國電器科學研究院，工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室，廣州 510300)

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2015245

太陽輻射下汽車儀表板熱負荷的數(shù)值模擬與實驗研究*

陳吉清1,2，李麗芬1，蘭鳳崇1,2，揭敢新3

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641； 2.廣東省汽車工程重點實驗室，廣州 510641；3.中國電器科學研究院，工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室，廣州 510300)

為降低太陽輻射下儀表板的熱負荷，基于熱平衡方程，對在海南夏季天氣條件下汽車的換熱過程進行數(shù)值模擬，所算得的車內(nèi)溫度場與實驗結(jié)果很好吻合。在此基礎(chǔ)上，分析了不同傳熱方式等因素對儀表板溫度場的影響。結(jié)果表明，輻射和傳導(dǎo)是儀表板溫度場的主要影響因素；減小前車窗玻璃透射率、放置遮陽擋、合理增加儀表板導(dǎo)熱系數(shù)和選擇適當?shù)耐＼囄恢枚寄茱@著降低儀表板的熱負荷。

汽車儀表板；熱負荷；太陽輻射；導(dǎo)熱系數(shù)

前言

汽車儀表板有多種功能，包括提供各種汽車狀態(tài)信息,對汽車的安全行駛也起著重要作用。安裝在汽車前車窗玻璃下的儀表板在自然暴露時受到太陽直接輻射，接收到不同波長的光輻射強度最大[1]，熱負荷嚴重，在某些特殊高溫環(huán)境下，表面溫度能高達120℃以上[2]。長時間的高溫作用，會損壞儀表板使用性能和壽命，加劇VOC揮發(fā)，惡化車內(nèi)乘坐空間的熱環(huán)境，降低乘坐舒適性。因此改善儀表板的受熱情況，有利于延長使用壽命，提高汽車產(chǎn)品的綜合競爭力。

國內(nèi)外汽車自然暴露下儀表板的研究主要通過暴露實驗，包括戶外直接暴露[3]、玻璃框下暴露[4]、強制通風控溫玻璃框下暴露[5]等。曝曬實驗真實可靠，但比較費事且成本高。近年來太陽輻射下儀表板的熱負荷數(shù)值研究越來越多。文獻[6]和文獻[7]中采用了蒙特卡羅法計算了車內(nèi)太陽輻射量的具體分配，得到儀表板表面受到的太陽輻射再分配量；文獻[8]中討論了太陽輻射、空調(diào)出風口位置與角度對車內(nèi)儀表板等零部件溫度場的影響；文獻[9]中采用計算流體力學和實驗方法研究了停放在戶外的汽車乘員艙熱量的積累與分布,探討了儀表板吸收的太陽輻射能量及其對乘員艙內(nèi)空氣溫度的影響；文獻[10]～文獻[12]中采用數(shù)值方法研究了太陽輻射下車窗玻璃特性、表面吸收率和空調(diào)系統(tǒng)對儀表板溫度場的影響。

為進一步探索儀表板在太陽輻射下的熱負荷規(guī)律，以中國海南夏季某日的氣象參數(shù)為條件建立數(shù)值計算模型，應(yīng)用三維熱仿真軟件Radtherm計算自然曝曬下汽車零部件的溫度場，分析太陽輻射下不同傳熱方式對儀表板溫度場的影響，探討不同車窗的玻璃參數(shù)和儀表板材料參數(shù)對其熱負荷的影響，為改善太陽輻射下儀表板的高熱狀態(tài)提供參考。

1 數(shù)學方程的建立

自然暴露下的汽車部件通過熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對流進行傳熱，太陽輻射是主要的熱量來源。計算模型為離散面網(wǎng)格模型，將車身離散為一系列單元，計算單元節(jié)點間和周圍環(huán)境的熱交換過程。汽車的零部件內(nèi)部和相互接觸的零部件之間熱傳導(dǎo)發(fā)生在相接觸的節(jié)點間，則單元節(jié)點i的導(dǎo)熱量為

(1)

在模擬仿真中，零部件厚度方向不劃分網(wǎng)格，車身內(nèi)壁面和外壁面是同一個單元中相對的面，因此車身單元內(nèi)外壁面間傳熱量為

(2)

式中：Ti為節(jié)點i處的溫度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；A為接觸面積；l為兩節(jié)點的距離；m為與節(jié)點相接觸的節(jié)點數(shù)量；i′是單元i對應(yīng)的外壁面單元；δ為車身部件厚度。

汽車停放在戶外時，車外零部件與自然風發(fā)生自然對流，車內(nèi)零部件與車內(nèi)空氣發(fā)生對流。根據(jù)牛頓冷卻定律[13]，流固壁面的對流換熱大小與兩者之間的溫度差成正比，因此單元節(jié)點i的對流換熱量為

Qconv,i=hA(Ti-Tf)

(3)

h=C1+C2v

(4)

式中：Tf為車內(nèi)空氣溫度；h為表面換熱系數(shù)，與氣流流動狀態(tài)、氣流物理性質(zhì)和換熱表面幾何因素有關(guān)，在計算中車身外壁面對流為自然風模式，C1和C2的數(shù)值取自McAdam’s平板模型，分別為5.7和3.8W/(m2·K)；v為車外氣流相對速度。因為在自然曝曬實驗時，車輛停止工作，車內(nèi)是一個封閉的體積，車內(nèi)零部件與車內(nèi)空氣發(fā)生的對流很微弱，因此將車內(nèi)空氣簡化為具有統(tǒng)一溫度值的空氣節(jié)點，車內(nèi)零部件的表面對流系數(shù)設(shè)為定值。

停放在戶外的汽車車身外表面涉及的輻射包括太陽直接輻射、太陽散射輻射、天空輻射、環(huán)境輻射和車身表面輻射。節(jié)點表面輻射能量為

Qrad,i=Ai(αicosθGD+αiGd)+

(5)

式中：α為表面輻射吸收率；GD為太陽直射輻射密度；Gd為太陽散射輻射密度；θ為太陽直射角，是太陽直射光線和表面法線之間的夾角，隨太陽高度角、方位、表面方位和表面傾斜角的不同而改變，入射角的大小影響表面接收到的太陽輻射量；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8W/(m2·K4)；Tsky為天空溫度；Tsur為周圍環(huán)境溫度；Xsky為天空對單元表面的角系數(shù)；Xsur為周圍環(huán)境對單元表面的角系數(shù)；ε為表面輻射發(fā)射率。

因為玻璃對太陽輻射具有強烈的選擇性吸收，太陽輻射等短波輻射能穿透車窗玻璃進入車內(nèi)，天空、大氣和周圍環(huán)境輻射為長波輻射則不能進入車內(nèi)，同時車內(nèi)吸熱面常溫下發(fā)出的長波輻射也無法從車內(nèi)向外輻射。因此車內(nèi)零部件表面受到的熱輻射包括透過車窗直接照射在表面上的太陽直接輻射和散射輻射、其他表面反射的太陽輻射、其他吸熱面發(fā)射的熱輻射和表面本身熱輻射。車內(nèi)表面輻射傳熱能量為

(6)

式中：m為車內(nèi)表面數(shù)量；τ為表面透射率，車窗玻璃透射率為小于1的常量，其他非透明部件的透射率為0；fj為單元j在單元i的面積投影因子；Xj為第j個單元i的角系數(shù)；ρ為表面反射率；Qsolar,j為太陽熱輻射能量；Jj為第j個單元的有效輻射能量。

2 數(shù)值計算模型

本文中研究對象為某國產(chǎn)自主品牌三廂轎車，根據(jù)實車模型1∶1建立幾何模型，車身長約4.0m，寬約2.1m，高約1.5m。因為實車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為簡化計算，節(jié)省計算資源，忽略幾何模型中對汽車內(nèi)外部件熱負荷計算影響甚微的部件，如后視鏡、擾流板和車門把手等，對儀表板、控制臺等做平面簡化處理。數(shù)值網(wǎng)格離散模型為面網(wǎng)格模型，見圖1，由車身、地板、車窗、車門、儀表板和座椅等組成。汽車內(nèi)外部件的溫度隨時間變化且梯度不大，因此在傳熱計算時可選用較大單元尺寸劃分網(wǎng)格，選擇大小為50mm的單元進行網(wǎng)格劃分[11]，整車網(wǎng)格模型單元數(shù)為18 706個。數(shù)值計算模型車頭朝向和實驗一致。

為便于對比驗證，仿真計算邊界條件要盡可能與實驗條件相符。所有的零部件模型都設(shè)定材料物性參數(shù)、表面特性參數(shù)和厚度，表1給出了數(shù)值模型幾大主要零部件的物性參數(shù)和表面光學特性參數(shù)[14-17]。

表1中所列車身部件皆為單層結(jié)構(gòu)，而車頂、地板和車門為多層結(jié)構(gòu)，其壁面結(jié)構(gòu)為：

(1) 車頂 其結(jié)構(gòu)組成由外向內(nèi)依次為鋼板、聚氨酯泡沫塑料隔熱層和PVC車頂內(nèi)襯，厚度依次為1、1.5和1.5mm。導(dǎo)熱系數(shù)依次為52.019、0.038 9和0.15W/(m·K)。

汽車部件材料密度ρ/(kg·m-3)熱導(dǎo)率λ/(W·m-1·K-1)比熱cp/(J·kg-1·K-1)發(fā)射率吸收率厚度δ/mm車身鋼7785.25100.04448.830.740.125儀表板PC1200.000.131464.000.600.905控制臺ABS996.350.171464.000.950.901.5座椅PU1030.000.251700.000.940.8015車窗玻璃2529.601.17754.040.950.165

(2) 地板 其結(jié)構(gòu)組成由外向內(nèi)依次為鋼板、聚氨酯泡沫塑料隔熱層和PVC地板革，厚度依次為3、2和4mm。導(dǎo)熱系數(shù)依次為52.019、0.038 9和0.16W/(m·K)。

(3) 車門 其結(jié)構(gòu)組成由外向內(nèi)依次為鋼板、氣隙和聚碳酸酯隔熱層，厚度依次為1.5、1.5和2mm。導(dǎo)熱系數(shù)依次為52.019、0.026和0.299 4W/(m·K)。

仿真計算須確定汽車停放的地理位置參數(shù)，它由試驗站的位置確定，試驗站位于東經(jīng)110°28′41″，北緯19°14′35″,海拔高度10m，位于東八區(qū)。表2為計算所需的天氣邊界條件參數(shù)，包括環(huán)境氣溫、相對濕度、太陽輻照強度、風速和風向，由實驗測量得到，以軟件所需的特定格式導(dǎo)入軟件。

表2 部分時刻天氣參數(shù)

3 實驗驗證和仿真結(jié)果分析

3.1 實驗驗證

實驗在海南瓊海濕熱自然環(huán)境試驗站進行，以某國產(chǎn)自主品牌汽車為實驗對象在室外無遮擋進行曝曬。為使整車和盡可能多的零部件達到最嚴酷的自然曝曬狀態(tài)，實驗車輛的前車窗玻璃朝正南方向停放在平坦空曠的草地上，實驗時汽車停止工作，車門、車窗及通風系統(tǒng)都處于緊密關(guān)閉狀態(tài)。實驗儀器為PC-2WS多通道溫濕度記錄儀，每隔10min記錄一次溫度。實驗過程中天空晴朗，基本無云。在車內(nèi)車外13個零部件表面分別布置了溫度傳感器測點。傳感器固定方式有粘貼和插入兩種，軟表面試樣的溫度傳感器為插入，其他表面試樣的溫度傳感器為粘貼。圖2所示分別為頂棚織絨布溫度測點、發(fā)動機罩溫度測點和儀表板溫度測點，箭頭所指處分別為頂棚織絨布溫度傳感器插入位置、發(fā)動機罩與儀表板溫度傳感器粘貼位置。

實驗時間為一整天，但因為晚上20：00至早上6:00的太陽輻射強度為0，這段時間內(nèi)儀表板熱負荷較小且變化不大，為節(jié)省計算時間和資源，仿真計算時間為早上6：00至晚上20：00。

13個測點的最高溫度計算值、實驗值和兩者偏差列于表3，可以看到兩者基本吻合，相對偏差較小，皆在5%以下。圖3為頂棚織絨布、發(fā)動機罩和儀表板的表面溫度實驗值與仿真值曲線，可以看出，三者仿真值和實驗值的曲線變化趨勢大致吻合，溫度誤差可能由計算模型簡化和實驗?zāi)Ｐ团c計算模型的材料參數(shù)差異引起的。實驗與計算結(jié)果基本吻合，說明計算模型和計算方法合理，計算結(jié)果有效。

表3 測點最高溫度計算值與實驗值對比

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真能得到各時刻的零部件表面溫度分布，圖4是下午14:00時車內(nèi)零部件的表面溫度分布情況。從仿真結(jié)果可看出，自然曝曬下汽車儀表板的溫度高達近100℃。因為儀表板安裝在汽車前車窗玻璃的下方，太陽光透過車窗玻璃直接輻射在儀表板表面，受到太陽輻射量比車內(nèi)其他零部件大得多，故儀表板承受更加嚴酷的熱負荷。

圖5是在表2的天氣參數(shù)下由Radtherm軟件計算得到的太陽輻射下儀表板不同傳熱方式傳遞的凈熱流量和表面平均溫度曲線。結(jié)果表明，儀表板主要通過太陽輻射吸收能量，而通過傳導(dǎo)、對流和表面輻射對外散發(fā)熱量，因為車內(nèi)處于封閉狀態(tài)，空氣流動少，所以對流換熱方式最弱。儀表板表面溫度高使得表面輻射換熱成為其最主要的散熱方式。通過減少投射到儀表板的太陽輻射能量和增加儀表板的散熱能有效降低儀表板熱負荷。

為研究前窗、側(cè)窗和后窗對儀表板表面溫度場的影響，設(shè)計了4組計算方案，分別改變前窗、側(cè)窗和后窗的玻璃特性參數(shù)，計算4組方案下儀表板的表面溫度場，以比較前窗、側(cè)窗和后窗玻璃特性對儀表板溫度場的影響。其中，方案a改變前車窗玻璃特性，方案b改變前車窗和側(cè)車窗玻璃特性，方案c改變所有車窗玻璃特性，方案d改變側(cè)車窗和后車窗玻璃特性。

因為玻璃的透射率、反射率和吸收率之和為1，而輻射吸收率保持為0.16不變，故只改變車窗的透射率即可，各方案車窗玻璃透射率見表4。

表4 車窗透射率

仿真計算后得到在不同方案下儀表板的表面平均溫度，圖6為不同方案的儀表板表面平均溫度與初始方案的溫差?？梢钥闯觯桨竏只改變了側(cè)、后兩車窗的透射率，其溫差較小，最大溫差小于2℃；方案a、b、c的前車窗透射率均增加了0.2，但側(cè)和后車窗透射率各不同，其溫差明顯高于方案d，且最大溫差約為10℃。

由此可知，車頭朝正南方向停放的汽車儀表板的表面溫度受前車窗的影響非常大，而側(cè)窗和后窗對其影響較小。因此，可通過對前車窗采取措施來降低儀表板熱負荷。

改變前車窗的玻璃參數(shù)，計算不同前車窗玻璃配置下儀表板溫度值，比較前車窗玻璃特性對儀表板溫度值的影響。設(shè)計了4組透射率不同的前車窗玻璃，透射率τ分別為0.16、0.36、0.56和0.76，其中0.36為初始計算模型的前車窗玻璃透射率。

圖7為4組參數(shù)不同的玻璃配置下儀表板吸收的太陽輻射凈熱流量曲線和表面平均溫度曲線?？梢钥吹?，儀表板受到的太陽輻射變化趨勢和溫度變化趨勢基本一致。太陽輻射熱流量和溫度隨著前車窗玻璃的透射率增大而增大，透射率每增加0.2，投射到儀表板上的最大太陽輻射量增加約100W/m2，儀表板的表面平均溫度最大值增加約9℃。因此，選用較小透射率的前車窗玻璃，能有效減少儀表板受到的太陽輻射，降低儀表板溫度。低輻射玻璃的可見光透過率和普通玻璃差不多，不影響駕駛員可見性，但可以顯著降低由熱輻射產(chǎn)生的車內(nèi)外熱量交換[18-19]。因此前車窗玻璃可選用低輻射玻璃。

為研究遮陽措施對汽車儀表板的溫度分布情況的影響，采用了在前車窗玻璃外覆蓋遮陽擋，其厚度為5mm，材質(zhì)為鋁箔復(fù)合PVC，鋁箔表面吸收率為0.08，輻射率為0.05。圖8分別是前車窗玻璃透射率為0.36(初始模型)、0.16及放置遮陽擋下儀表板14:00時的表面溫度分布，可見有遮陽擋時,儀表板的溫度明顯更低，說明遮陽擋有效阻擋了太陽光對儀表板的直接輻射,降低了儀表板的熱負荷。

為研究太陽輻射下導(dǎo)熱系數(shù)對儀表板溫度場的影響，設(shè)其他物理特性不變，改變導(dǎo)熱系數(shù)大小，從初始模型的導(dǎo)熱系數(shù)0.13W/(m2·K)，增加到4.13和8.13W/(m2·K)，分別計算儀表板熱負荷，結(jié)果見表5?？梢姰攲?dǎo)熱系數(shù)由0.13W/(m2·K)增加到4.13W/(m2·K)時，儀表板表面平均溫度最大值下降約0.8℃，表面最高溫度下降約4.5℃，表面最高溫度與表面平均溫度最大值的差值下降了約3.7℃。這是因為儀表板內(nèi)部溫度分布不均，產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，熱量由高溫部分傳到低溫部分，導(dǎo)熱系數(shù)越大，傳熱能力越強越快。因此采用導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料，將有利于熱量在整個儀表板中的均勻分布，減少不同部位的溫度差，從而減小溫度應(yīng)力。但當導(dǎo)熱系數(shù)增加到8.13W/(m2·K)，表面平均溫度最大值和最高溫度幾乎不變，表面最高溫度與平均溫度最大值的差值下降不足1℃。這表明合理的導(dǎo)熱系數(shù)才能有效改善儀表板熱負荷。

表5 不同導(dǎo)熱系數(shù)下儀表板熱負荷

儀表板的主要散熱方式為表面輻射，發(fā)射率ε表征材料表面的熱輻射能力的強弱。為研究太陽輻射下發(fā)射率對儀表板溫度值的影響，在不改變其他物理特性條件下，只改變儀表板的發(fā)射率ε，選擇一天中太陽輻射強度較大且儀表板溫度較高的時間段12:00～16:00時，計算不同發(fā)射率下儀表板的表面平均溫度，結(jié)果如圖9所示。由圖可見，改變儀表板表面發(fā)射率對其表面平均溫度值有影響，卻并不明顯，發(fā)射率ε每提高0.1，表面平均最高溫度降低約1℃。由式(6)可知，物體對外熱輻射量是表面發(fā)射率的1次方，卻是物體表面溫度的4次方，對外熱輻射量主要受物體表面溫度影響,提高發(fā)射率并不能大幅度增加儀表板的對外熱輻射量，故儀表板溫度下降較小。

以上是汽車無遮擋戶外停放時的結(jié)果。實際生活中，汽車停放的位置受周圍環(huán)境影響?？紤]到汽車經(jīng)常停放在建筑物旁，分別在正西面和正東面距離汽車300mm處放置一堵寬5 000mm、厚200mm、高8m的磚墻，研究其對儀表板溫度的影響。圖10為有無墻壁遮擋時儀表板的溫度變化。由圖可見，汽車東面有墻壁遮擋時，上午儀表板的溫度很低，但下午的溫度卻比無墻壁遮擋還略高，這是因為下午墻壁對著汽車的一面會反射太陽光到汽車表面，又由于墻壁吸收太陽光溫度升高，本身會發(fā)射輻射熱量，從而使進入車內(nèi)的熱量增加，儀表板溫度升高。同理汽車西面有墻壁遮擋時，上午儀表板的溫度比無墻壁略高。但儀表板的平均溫度最大值要比無遮擋時低4.5℃，從13：00左右開始急劇下降。圖11為汽車西面有墻壁時從13:00～14:00儀表板的溫度分布?？梢婋S著太陽的西移，儀表板上表面的高溫分布區(qū)由西向東移動，并逐漸減小，到14:00時整個儀表板都處于溫度較低狀態(tài)。這是受到太陽方位的影響，隨著太陽西移，直接照射在儀表板上的太陽輻射逐漸被西面的墻壁遮擋，因此儀表板熱負荷有效減少。

4 結(jié)束語

太陽輻射是汽車儀表板的主要熱源，傳導(dǎo)、對流和表面輻射是儀表板的散熱方式，其中表面輻射換熱是其最主要的散熱方式。通過減少投射到儀表板的太陽輻射能量和增加儀表板的散熱能有效降低儀表板熱負荷。

相對側(cè)車窗和后車窗，儀表板溫度主要受到前車窗的影響。降低前車窗玻璃透射率能有效降低投射在儀表板的太陽輻射凈熱流量和儀表板溫度值。因此建議選用可見光透過率和普通玻璃透過率差不多、但可明顯降低由熱輻射產(chǎn)生的車內(nèi)外熱量交換的低輻射玻璃。停車時前車窗放置遮陽擋可顯著改善儀表板的高熱狀態(tài)。

導(dǎo)熱系數(shù)對儀表板表面熱負荷有明顯影響，合理增加導(dǎo)熱系數(shù)，儀表板熱負荷得到有效改善，選用導(dǎo)熱系數(shù)合適的材料有利于儀表板溫度均勻分布，減小熱應(yīng)力。

汽車的停放位置對儀表板熱負荷有明顯影響，選擇合適的停車地點可有效降低儀表板熱負荷。

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Numerical Simulation and Experimental Study on the Thermal Loadof Vehicle Dashboard Under Solar Radiation

Chen Jiqing1,2, Li Lifen1, Lan Fengchong1,2& Jie Ganxin3

1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641；2.GuangdongProvincialKeyLaboratoryofAutomotiveEngineering,Guangzhou510641；3.ChinaNationalElectricApparatusResearchInstitute,StateKeyLaboratoryofEnvironmentalWorthinessforIndustrialProducts,Guangzhou510300

For reducing the thermal load of vehicle dashboard, a numerical simulation on the heat transfer process of vehicle is carried out under the summer weather condition in Hainan based on heat balance equation, with an interior temperature field obtained well agreeing with experimental results. Based on this, the effects of different heat transfer modes and other factors on the temperature field of dashboard are analyzed. The results indicate that the radiation and conduction are the main factors affecting the temperature field of dashboard. Reducing the transmittance of front windshield, putting on sun visor, reasonably increasing the thermal conductivity coefficient of dashboard and selecting appropriate parking place can significantly reduce the thermal load of dashboard.

vehicle dashboard; thermal load; solar radiation; thermal conductivity

*工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室開放基金和國家自然科學基金(51375170)資助。

原稿收到日期為2013年12月30日，修改稿收到日期為2014年8月6日。