基于STAR-CCM+的客車乘員艙熱舒適性仿真與改進

林雪芳，張密科，王 偲，黃榮哲

（1.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023；2.中國公路車輛機械有限公司，北京 100055）

基于STAR-CCM+的客車乘員艙熱舒適性仿真與改進

林雪芳1，張密科2，王 偲1，黃榮哲1

（1.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023；2.中國公路車輛機械有限公司，北京 100055）

應(yīng)用STAR-CCM+軟件對客車乘員艙熱舒適性進行仿真，仿真分析結(jié)果與整車試驗結(jié)果的誤差在5%以內(nèi)，驗證了該仿真分析方法的準(zhǔn)確性和可行性。經(jīng)過改進行李架風(fēng)道結(jié)構(gòu)，改善了乘員艙內(nèi)溫度分布。

STAR-CCM+；客車乘員艙；熱舒適性

由于客車車廂內(nèi)空間較大，車窗玻璃較多，乘坐人數(shù)多，駕駛環(huán)境也在不斷變化，影響車廂內(nèi)熱環(huán)境的因素較多，因此，乘員艙內(nèi)熱舒適性問題日益突出。近年來有關(guān)轎車乘員艙熱舒適性方面的研究做得比較多[1-7]，而對客車的乘員艙熱舒適性的研究比較少。本文運用STAR-CCM+軟件對某客車乘員艙熱舒適性進行仿真分析，改進行李架風(fēng)道內(nèi)結(jié)構(gòu)，改善乘員艙的溫度分布，為乘員艙空調(diào)風(fēng)道的設(shè)計提供依據(jù)。運用CFD仿真和試驗相結(jié)合的研究方法，時間短、費用較低，改進優(yōu)化方案比較方便[8-9]。

1 仿真模型的建立

STAR-CCM+軟件是由CD-adapco公司開發(fā)。該軟件通過一個單一集成用戶界面和自動化工作流程，采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù)，為使用者提供精確高效的仿真技術(shù)。多物理、基于一體化集成環(huán)境、高重復(fù)性和適用性是其被譽為新一代CFD軟件的最強閃光點[10]。

1.1 前處理及網(wǎng)格模型的建立

在整車模型里保留空調(diào)系統(tǒng)里空氣流過的地方，包括駕駛室、乘員艙、前擋玻璃、儀表板、地板、空調(diào)蒸發(fā)器出風(fēng)口、行李架風(fēng)道、出風(fēng)口格柵等三維數(shù)模，在Hyper-Mesh中進行幾何處理，建立一個封閉的空間，如圖1所示。采用三角形面網(wǎng)格劃分，將滿足質(zhì)量的面網(wǎng)格輸出保存成“.nas”格式的模型文件。

圖1 乘員艙熱舒適性分析模型

在STAR_CCM+中導(dǎo)入乘員艙熱舒適性分析面網(wǎng)格模型（“.nas”格式），進行面網(wǎng)格重構(gòu)。采用STAR-CCM+的切面體網(wǎng)格模型（Trimer）生成體網(wǎng)格，邊界層采用棱柱層網(wǎng)格模型（Prism Layer mesher），除了進出風(fēng)口和interface沒有邊界層之外，其余均是3層邊界層，厚度為2 mm，增長比為1.4，得到體網(wǎng)格數(shù)量為1 516萬個。

1.2 車室熱邊界條件的處理

1）太陽輻射參數(shù)。太陽輻射邊界條件有太陽的高度角、方位角、直射強度、漫射強度等參數(shù)，由于沒有這些參數(shù)的具體數(shù)值，可采用試驗地方的經(jīng)緯度、試驗當(dāng)天的日期、時間來計算，具體如下：緯度為24.27°，經(jīng)度為118.06°，東八區(qū)，日期為2016年7月15日，時間為12∶00，太陽直射因子為0.7，太陽漫射比例為0.2。

計算時輻射量的大小和電腦內(nèi)存有著直接的關(guān)系，如減少輻射量，計算內(nèi)存也會減少，但是計算結(jié)果會存在一定的誤差，考慮目前計算機的配置，在玻璃重要區(qū)域中Patch/Face Proportion設(shè)置為25，其余非重要區(qū)域均設(shè)置為10。

2）側(cè)圍、頂棚的熱邊界條件?？蛙図斉?、側(cè)圍通常為多層材料組合而成。以頂棚為例，頂棚所組成的4種材料的導(dǎo)熱性能差異性很大，組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能很難通過單層材料確定，為了計算的可行性，采用材料的綜合導(dǎo)熱系數(shù)[11-12]，計算公式如下：

式中：q為頂棚的綜合單位熱流量，W/m2；▽t為頂棚的內(nèi)外側(cè)溫差，K；δi為第i層材料的厚度，m；λi為第i層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

3）車窗玻璃的熱邊界條件。車窗玻璃通常為鋼化玻璃，是單層材料；而前擋風(fēng)玻璃為夾膠玻璃，內(nèi)外兩層材料，中間是膠膜[12]，其傳熱系數(shù)參考中空玻璃的計算公式。

式中：K1為玻璃的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；he為玻璃外表面當(dāng)量換熱系數(shù)，W/（m2·K）；hi為玻璃內(nèi)表面當(dāng)量換熱系數(shù)，W/（m2·K）；d為玻璃厚度，m；λ為玻璃導(dǎo)熱系數(shù)，此值為0.76 W/（m·K）。

此經(jīng)驗公式一般在炎熱環(huán)境下成立，he=23 W/（m2·K），hi=8.7 W/（m2·K）。

夾膠玻璃傳熱系數(shù)： K2=1/（1/he+1/ht+1/hi）=1/（1/23+1/8+1/8.7）=3.53 W/（m2·K） （3）式中：K2為中空玻璃的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；ht為中空系統(tǒng)當(dāng)量換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

4）灰體熱輻射模型?；殷w熱輻射模型用來模擬與波長無關(guān)的熱漫輻射現(xiàn)象，表面-表面熱輻射用來模擬封閉空間內(nèi)的灰體漫輻射。在STAR-CCM+軟件中，選擇灰體輻射模型后，邊界條件中需要設(shè)置發(fā)射率、反射率和穿透率。其中，發(fā)射率+反射率+穿透率=1。根據(jù)不同部件的材料屬性，具體數(shù)值設(shè)置為：側(cè)圍及頂棚發(fā)射率為0.84，穿透率為0；普通鋼化玻璃發(fā)射率為0.1，穿透率為0.82；前擋夾層玻璃發(fā)射率為0.1，穿透率為0.71；儀表板發(fā)射率為0.9，穿透率為0。

1.3 仿真模型的設(shè)置

仿真模型選擇Realizable K-epsilon湍流模型，空間離散采用二階迎風(fēng)差分格式，迭代方式選用Simple算法。

計算域入口條件是質(zhì)量流量入口，其流量和溫度數(shù)值是實車試驗中測得的空調(diào)蒸發(fā)器出口流量和溫度，分別為4 812 m3/h和289.2 K（16℃）；計算域出口使用默認(rèn)壓力出口，取背壓為0 Pa。

瞬態(tài)計算時間步長為10 s，單位步長內(nèi)最大迭代次數(shù)為100。

2 仿真分析結(jié)果及試驗驗證

2.1 仿真分析結(jié)果

1）速度場分布。通過CFD穩(wěn)態(tài)分析得到乘員艙內(nèi)氣流速度分布不均勻，中間區(qū)域風(fēng)速較大，而駕駛室與最后一排座椅位置的風(fēng)速較小，如圖2所示。

2）溫度場分布。通過CFD穩(wěn)態(tài)分析得到乘員艙內(nèi)溫度分布不均勻，駕駛室與最后一排座椅位置的溫度較高，與速度場分布規(guī)律一致，如圖3所示。

2.2 試驗驗證

樣車停放在太陽底下曬車，直到車內(nèi)各測點平均溫度升高至50℃左右，即仿真分析曬車結(jié)束時車內(nèi)各測點平均溫度，開啟空調(diào)，進行試驗30 min，得到駕駛員、第一排、二排、八排和十二排座椅位置頭部和腳部溫度，并與仿真分析結(jié)果對比，如圖4所示。仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果的曲線趨勢較為一致，誤差在5%以內(nèi)。2.3 改進方案及仿真分析結(jié)果

圖4 車內(nèi)溫度測點仿真與試驗結(jié)果

1）改進方案。綜合分析原車型仿真分析結(jié)果溫度分布圖，原車型最前端和最后端溫度較高，提出以下改進方案，主要是以降低風(fēng)道阻力，增加前后流量分配為主要措施。

在原方案的基礎(chǔ)上修改前頂弧形，與行李架風(fēng)道無臺階連接，并增加兩塊導(dǎo)流板。行李架風(fēng)道增加前后導(dǎo)流板和中間導(dǎo)流板，如圖5和圖6所示。駕駛室前頂送風(fēng)口左右兩側(cè)各增加2個送風(fēng)口，最后一排送風(fēng)口左右兩側(cè)各增加1個送風(fēng)口，同時在最后一排送風(fēng)口處增加導(dǎo)流板，如圖7所示。

圖5 前頂及前段行李架風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 改進后中段行李架風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 最后一排圓形送風(fēng)口結(jié)構(gòu)示意圖

2）仿真分析結(jié)果。仿真計算完成后，建立乘員艙速度及溫度分布云圖，可以看出改進方案的駕駛室及前排和后排區(qū)域的速度有所升高；同時，改進方案的駕駛室及前排和后排區(qū)域的溫度有所下降。

修改前頂弧形結(jié)構(gòu)，行李架風(fēng)道增加導(dǎo)流板及增加前后頂送風(fēng)口數(shù)量后駕駛室和最后一排座椅溫度下降0~1℃，車內(nèi)其余位置溫度下降0~0.5℃，改善了乘員艙熱舒適性，尤其是駕駛員和最后一排乘客，如圖8所示。

圖8 改進前后車內(nèi)溫度測點仿真結(jié)果

3 結(jié)論

1）通過STAR-CCM+軟件建立客車乘員艙熱舒適性分析模型，仿真得到的駕駛員和乘客的頭部與腳部溫度與試驗結(jié)果誤差均在5%范圍以內(nèi)，可以滿足客車產(chǎn)品的實際應(yīng)用。

2）將行李架風(fēng)道內(nèi)結(jié)構(gòu)進行局部改進，增加導(dǎo)流板和送風(fēng)口，改變了風(fēng)道內(nèi)氣流大小，改善乘員艙的溫度分布，乘員熱舒適性得到了提升。

3）采用CFD分析方法對客車乘員艙熱舒適性進行仿真模擬，為乘員艙空調(diào)管道的設(shè)計和空調(diào)出風(fēng)口布置提供依據(jù)。

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Simulation and Improvement of Thermal Comfort in Passenger Compartment of a Coach Based on STAR-CCM+

Lin Xuefang1，Zhang Mike2，Wang Cai1，Huang Rongzhe1（1.Xiamen King Long United Automotive Industry Co.,Ltd,Xiamen 361023,China;2.China Highway Vehicle&Machinery Co.,Ltd,Beijing 100055,China）

The thermal comfort of passenger compartment of a coach is simulated by STAR-CCM+software.The simulation results are compared with the results of the vehicle test,and the error is less than 5%,which verifies the accuracy and feasibility of the simulation analysis method.Through improving the structure of the air duct of the luggage rack,temperature distribution in the passenger compartment is improved.

STAR-CCM+；coach passenger compartment；thermal comfort

U467.4+1

B

1006-3331（2017）05-0032-03

林雪芳（1993－），女；主要從事客車流體分析工作。

修改稿日期:2017-06-19