自然暴露下汽車座椅熱負(fù)荷的數(shù)值模擬及試驗(yàn)

蘭鳳崇，黃佳楠，陳吉清，李麗芬

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510640;2. 華南理工大學(xué) 廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

0 引 言

影響汽車艙內(nèi)熱環(huán)境的因素很多，傳熱方式復(fù)雜，介質(zhì)多樣，如外環(huán)境、車體結(jié)構(gòu)和材料、艙內(nèi)結(jié)構(gòu)及內(nèi)飾材料，加上循環(huán)方式和關(guān)鍵因素的熱-流-固多重耦合作用，使得在復(fù)雜的邊界條件下，很難準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)熱環(huán)境的構(gòu)成規(guī)律及各關(guān)鍵因素的影響關(guān)系。目前，為了改善車艙熱環(huán)境，相關(guān)的研究不斷深入。在實(shí)驗(yàn)方面，通過(guò)選擇與產(chǎn)品預(yù)期使用環(huán)境相同或相近的試驗(yàn)條件進(jìn)行暴露試驗(yàn)[1-3]，即可得到較可信的試驗(yàn)結(jié)果。雖然試驗(yàn)是認(rèn)識(shí)問題的基礎(chǔ)，但其局限于特定的條件，只能根據(jù)樣本獲取離散數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)，不僅時(shí)間和物資成本消耗大，而且滯后于開發(fā)設(shè)計(jì)，不利于產(chǎn)品性能的綜合評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)參數(shù)的比較和優(yōu)化。

通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)汽車艙內(nèi)熱環(huán)境的研究越來(lái)越多，并取得一系列成果[4-6]。2007年，Cengiz等[7]采用對(duì)比試驗(yàn)分析了座椅表面材料對(duì)乘員熱舒適性的影響，并在道路工況下研究了志愿試驗(yàn)者對(duì)座椅的熱舒適性評(píng)價(jià)。2009年，Vivek等[8]使用CATIA建模并在Gambit中離散模型，采用CFD方法分析了不同空調(diào)出風(fēng)口角度對(duì)乘員艙內(nèi)各部件溫度分布及乘員熱舒適性的影響。2010年，Al-Kayiem等[9]結(jié)合試驗(yàn)和Fluent仿真，分析了停放狀態(tài)下不同車窗開啟數(shù)目和遮陽(yáng)條件對(duì)汽車乘員艙內(nèi)熱量的累計(jì)的影響，分析了車內(nèi)各部件對(duì)太陽(yáng)輻射能量的吸收及其溫度變化。這些研究分別在座椅材料、空調(diào)、停放狀態(tài)及熱舒適性評(píng)價(jià)等方面做了分析，為改善汽車座椅的熱負(fù)荷提供了重要參考。

以上對(duì)汽車艙內(nèi)熱負(fù)荷的研究大都采用計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)和有限元方法(FEM)。然而，CFD更適合流體傳熱的計(jì)算，若對(duì)汽車座椅壁面進(jìn)行傳熱分析則必須考慮周圍流體的作用，需要在流體區(qū)域、邊界層、固體壁面上都進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且要計(jì)算Navier-Stokes方程，這對(duì)網(wǎng)格要求較高且消耗巨大計(jì)算資源。FEM同樣對(duì)網(wǎng)格和計(jì)算資源要求較高，且在考慮太陽(yáng)輻射及外部環(huán)境熱負(fù)荷時(shí)存在相當(dāng)?shù)睦щy。這些數(shù)值方法上的限制、計(jì)算資源的消耗以及邊界條件和周圍環(huán)境考慮的不足使汽車艙內(nèi)座椅壁面溫度場(chǎng)的研究受到一定阻礙。

2013年，張文燦[10]提出針對(duì)汽車壁面熱負(fù)荷分析的熱網(wǎng)格數(shù)值計(jì)算方法，該方法采用有限差分法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)網(wǎng)格要求不高且有很好的計(jì)算精度，和乘員艙流體區(qū)域CFD計(jì)算的耦合也比較容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，熱網(wǎng)格法通過(guò)對(duì)汽車內(nèi)壁面與太陽(yáng)、周圍環(huán)境間角度系數(shù)的計(jì)算，能夠考慮太陽(yáng)及周圍環(huán)境輻射對(duì)座椅壁面溫度的影響。

為進(jìn)一步研究汽車座椅在自然暴露下的熱負(fù)荷分布規(guī)律，首先在海南瓊海濕熱自然環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行了自然暴露試驗(yàn)，采集海南夏季某日的氣象參數(shù)作為環(huán)境參數(shù)，然后采用熱網(wǎng)格法計(jì)算車輛各部件的壁面溫度和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證熱網(wǎng)格法仿真座椅溫度的準(zhǔn)確性；結(jié)合試驗(yàn)對(duì)某國(guó)產(chǎn)三廂轎車座椅的熱負(fù)荷狀況進(jìn)行分析，仿真研究了汽車座椅換熱過(guò)程中熱流量的變化；分析座椅表面吸收率、發(fā)射率、車窗玻璃透射率以及汽車停放位置等對(duì)座椅溫度場(chǎng)的影響，為改善汽車座椅的熱負(fù)荷、提高乘員的熱舒適性提供參考。

1 試驗(yàn)方法

為了分析整車環(huán)境下汽車艙內(nèi)座椅的熱負(fù)荷規(guī)律，考慮汽車各部件間熱交換、熱-流-固耦合及周圍氣候環(huán)境的影響，同時(shí)為后續(xù)的數(shù)值計(jì)算提供初始邊界條件及結(jié)果驗(yàn)證。2014年，本團(tuán)隊(duì)選擇某款國(guó)產(chǎn)黑色轎車在瓊海濕熱自然環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行了為期1年的自然暴露試驗(yàn)。

自然暴露下座椅表面溫度受透過(guò)車窗的太陽(yáng)直接輻射的作用，并和汽車其他部件之間存在熱量交換和相互影響。試驗(yàn)需測(cè)試汽車周圍的大氣環(huán)境參數(shù)和汽車各部件的溫度、熱量數(shù)據(jù)。為了控制采集的數(shù)據(jù)量，車身外表面因其對(duì)稱性只在右側(cè)布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)1～5；車內(nèi)壁面布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)6～12。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

試驗(yàn)裝置采用微型氣象站、溫度傳感器、濕度傳感器和PC-2WS多通道溫濕度記錄儀。太陽(yáng)輻射量、環(huán)境溫度、平均風(fēng)向等周圍環(huán)境參數(shù)每隔5 min采樣一次。車內(nèi)外表面的溫度漸進(jìn)變化且梯度不大，故每隔10 min進(jìn)行一次采樣。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 728-2005《汽車整車大氣暴露試驗(yàn)方法》[1]要求，溫濕度傳感器以插入或者粘貼的方式固定在各測(cè)點(diǎn)上，為避免陽(yáng)光直射傳感器表面致使其溫度驟升產(chǎn)生測(cè)量誤差，粘合劑采用灰白色耐高溫材料。溫濕度傳感器的兩種固定方式如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test points arrangement

圖2 測(cè)點(diǎn)的固定Fig.2 Fixing method of measurement point

試驗(yàn)車選用某國(guó)產(chǎn)自主品牌黑色三廂汽車，測(cè)試時(shí)車輛停止工作，車頭朝正南方向停放在平坦空曠的草地上。

2 數(shù)值方法及數(shù)值模型

2.1 熱網(wǎng)格法

熱網(wǎng)格法是基于熱平衡方程采用有限差分法分析車輛壁面?zhèn)鳠岬囊环N高精度、高效率的數(shù)值方法。熱網(wǎng)格法通過(guò)把連續(xù)的車身結(jié)構(gòu)離散成一系列單元面，假定每一個(gè)單元面上的溫度、能量等變量及其物理常數(shù)由其中心點(diǎn)上i的值代替，如圖3所示，能夠計(jì)算所有單元面上熱交換能量值，在定解條件下聯(lián)立熱平衡方程式可求解各離散單元面上的溫度值。

在自然暴露下，汽車存在輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流3種傳熱方式，每個(gè)單元面上的熱交換如圖4所示。和有限元方法相比，熱網(wǎng)格法在計(jì)算輻射傳熱時(shí)引入單元面之間、天空對(duì)單元面以及周圍環(huán)境對(duì)單元面的角度系數(shù)，從而能夠考慮太陽(yáng)輻射等外部環(huán)境輻射的影響。

圖3 熱網(wǎng)格法單元面示意圖Fig.3 Schematic diagram of element surface ofthermal grid method

圖4 單元節(jié)點(diǎn)換熱示意圖Fig.4 Schematic diagram of heat transfer betweenelement nodes

2.2 傳熱方程的建立

零部件厚度方向不劃分網(wǎng)格，用上標(biāo)(′)表示和汽車艙內(nèi)壁面相對(duì)應(yīng)的車身外表面單元面。自然暴露時(shí)車身不同位置受到太陽(yáng)輻射不同，導(dǎo)致溫度分布不均，故在車身相互接觸的離散單元之間及車身單元對(duì)應(yīng)的內(nèi)外壁之間都存在熱傳導(dǎo)。兩種熱傳導(dǎo)的導(dǎo)熱量分別為:

(1)

(2)

式中：N為與節(jié)點(diǎn)i相接觸的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；A為相鄰單元間接觸面積；l為兩節(jié)點(diǎn)間的距離；Ti為節(jié)點(diǎn)i處的溫度；i′為單元i對(duì)應(yīng)的外壁面單元；δ為節(jié)點(diǎn)處的車身壁面厚度。

汽車在戶外停放時(shí)，車身外表面和周圍空氣發(fā)生自然對(duì)流、車內(nèi)部件和車內(nèi)空氣發(fā)生對(duì)流。車內(nèi)封閉空間的對(duì)流很弱，在計(jì)算中把艙內(nèi)空氣視為溫度值相同的空氣節(jié)點(diǎn)，將車身外壁面對(duì)流設(shè)置為自然風(fēng)模式。離散單元處的表面換熱系數(shù)和換熱面的幾何形狀以及換熱面處氣流的物理特性、流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，車艙內(nèi)、外壁面的換熱系數(shù)分別采用經(jīng)驗(yàn)公式(4)[11]、(5)[12]近似算得；依據(jù)牛頓冷卻定律[13]，流固壁面的對(duì)流換熱量正比于流固之間的溫度差，故單元節(jié)點(diǎn)處對(duì)流換熱值為:

Qconv,i=hiAi(Ti-Tair)

(3)

hi=1.31(Ti-Tair)1/3

(4)

(5)

式中：Tair為和離散面接觸的氣流溫度；h為離散單元表面換熱系數(shù)；ν為車外氣流相對(duì)速度。

輻射傳熱的主要熱源是太陽(yáng)，汽車艙內(nèi)壁面單元面受到的輻射主要有太陽(yáng)透過(guò)車窗的直接輻射、散射輻射、其他表面反射的太陽(yáng)輻射、其他吸熱面發(fā)射的熱輻射及其自身表面的熱輻射。車內(nèi)壁面單元面的輻射傳熱量為：

(6)

式中：α為表面輻射吸收率；M為車內(nèi)表面離散單元數(shù)量；τ為表面透射率，對(duì)于車窗玻璃是數(shù)值比 1小的常數(shù)，對(duì)其余不透明部件是零；f為單元j在單元i上面積的投影因子；GD為太陽(yáng)直射輻射密度；Xj為第j個(gè)單元i的角系數(shù)；Gd為太陽(yáng)散射輻射密度；ρ為表面反射率；Qsolar,j為太陽(yáng)熱輻射能量；Jj為第j個(gè)單元的有效輻射能量；ε為表面輻射發(fā)射率；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8W/(m2· K4)；θ為太陽(yáng)直射角。

(7)

式中：Tsky為天空溫度；Tsur為周圍環(huán)境溫度；Xsky為天空對(duì)單元表面的角系數(shù)；Xsur為周圍環(huán)境對(duì)單元表面的角系數(shù)：

Qi=Qcond,i+Qconv,i+Qrad,i

(8)

對(duì)汽車艙內(nèi)離散單元面的傳熱方程建立熱平衡方程(8)，采用數(shù)值求解器Radtherm計(jì)算汽車內(nèi)外壁面各處的溫度。

2.3 數(shù)值模型

本研究對(duì)試驗(yàn)車輛按照實(shí)車模型1∶1建立了幾何模型并進(jìn)行仿真分析，車型尺寸為3.988 m×2.085 m×1.479 m。為節(jié)省計(jì)算資源，對(duì)后視鏡、擾流板、車門把手等在實(shí)際中對(duì)汽車內(nèi)外部件溫度分布影響小的部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

對(duì)模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，對(duì)整車模型采用四面體網(wǎng)格，對(duì)形狀復(fù)雜的零部件和曲率半徑較大的位置采用適應(yīng)性較好的三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)為18706個(gè)。圖5為車內(nèi)零部件三維圖和整車的網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖5 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分Fig.5 Numerical method and grid division

對(duì)計(jì)算模型邊界條件的設(shè)置，采用在海南瓊海濕熱自然環(huán)境試驗(yàn)站測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型的所有部件設(shè)置和試驗(yàn)車輛吻合的材料參數(shù)、表面特性及厚度參數(shù)。數(shù)值模型幾大主要部件的材料參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)車輛停放的地理位置為東經(jīng)110°28′41″，北緯19°14′35″，海拔10 m，地面模型設(shè)置為草地，草地對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù)為0.78，地面中心溫度25℃，天氣邊界參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1 主要部件物性參數(shù)及表面特性Table 1 Physical property and surface property of major component

表2 部分時(shí)刻天氣參數(shù)Table 2 Weather parameters versus time

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

暴露試驗(yàn)的1年中，統(tǒng)計(jì)到有太陽(yáng)輻射的時(shí)間為2700 h，其中有1050 h試驗(yàn)車周圍環(huán)境的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度超過(guò)400 W/m2。周圍環(huán)境的太陽(yáng)輻射能量累積達(dá)5160 MJ/m2，太陽(yáng)輻射平均強(qiáng)度為406 W/m2，試驗(yàn)車所處的熱環(huán)境極端惡劣。

選取夏季某一日的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析試驗(yàn)車所處熱環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，試驗(yàn)測(cè)得該日的太陽(yáng)輻射密度變化曲線如圖6所示。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在早上6：00從零開始逐漸升高，總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在10：00至14：00之間達(dá)1000 W/m2以上，晚上19：00之后無(wú)太陽(yáng)輻射。由于受云層的阻擋，太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)小于總輻射強(qiáng)度。

1天中試驗(yàn)車內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度變化如圖7所示。圖7中車內(nèi)各部件的表面溫度和圖6中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本相同， 6：00之后隨著太陽(yáng)輻射密度增加，汽車各部件表面溫度隨之升高，大約在中午13：00左右車內(nèi)各壁面溫度達(dá)到峰值，隨后溫度開始下降。其中，右前座椅表面溫度在13：00至14：00之間突然升高，這是由于其上的測(cè)點(diǎn)在此期間受到太陽(yáng)光從側(cè)窗玻璃的直接照射作用。

圖6 太陽(yáng)輻射密度變化Fig.6 Variation process of solar radiation density

圖7 試驗(yàn)車內(nèi)各部件測(cè)點(diǎn)溫度Fig.7 Temperature value of measurementpoint on tested component

車內(nèi)不同壁面處溫度差別很大，其中儀表板和方向盤由于處于前擋風(fēng)玻璃下方，受太陽(yáng)輻射較多，溫度遠(yuǎn)高于車內(nèi)其他壁面。頂棚織絨布雖不受太陽(yáng)直接照射，但受到高溫車頂?shù)臒醾鲗?dǎo)作用，溫度也高于車內(nèi)其他壁面。總之，汽車內(nèi)部零部件表面溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度密切相關(guān)，不同壁面由于其與太陽(yáng)相對(duì)位置的不同、表面材質(zhì)的不同導(dǎo)致相互間溫度差異較大，在汽車內(nèi)壁形成非均勻分布的溫度場(chǎng)。

3.2 仿真結(jié)果分析

各測(cè)點(diǎn)處的溫度最高值可以反映數(shù)值仿真的最大誤差，考慮到數(shù)值方法和模型的準(zhǔn)確性，選取各測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果的溫度最高值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。除散熱器上柵格和右前座椅頭枕外，各測(cè)點(diǎn)的溫度仿真值和試驗(yàn)值都比較接近，總體相對(duì)偏差控制在4.5%以內(nèi)。散熱器上柵格和右前座椅頭枕處較大的計(jì)算偏差可能是由于其尺寸較小，整車模型中使用的50 mm2的網(wǎng)格對(duì)其不適合所致?？傮w來(lái)看，這種數(shù)值方法能夠較好地模擬汽車各部件表面的溫度場(chǎng)。

表3 各測(cè)點(diǎn)最高溫度值的試驗(yàn)和仿真結(jié)果Table 3 Test and simulation results of highesttemperature of measurement point

圖8為試驗(yàn)車幾個(gè)主要部件的平均溫度變化與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。由于早上6:00之前和晚上20:00之后太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為零，車內(nèi)外零部件溫度值較小且變化不大，為了節(jié)省計(jì)算資源、提高計(jì)算效率，在數(shù)值分析時(shí)，只分析6：00至20:00之間的溫度變化。仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，這也驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的合理性。

圖9為6：00至20:00之間艙內(nèi)座椅的表面溫度變化。前、后排座椅表面溫度變化趨勢(shì)一致，在15：00左右溫度達(dá)到最高，前排座椅溫度略高于后排但相差不大。

圖10為座椅各傳熱方式熱流量的變化。汽車座椅處于太陽(yáng)輻射的近似垂直位置，其太陽(yáng)輻射熱流量很大，太陽(yáng)輻射傳熱量為正值且隨時(shí)間逐漸升高，對(duì)流、表面輻射及傳導(dǎo)傳熱量主要為負(fù)值，仿真開始的前400 min表面輻射傳熱量為正值，這是由于經(jīng)過(guò)一夜的擱置座椅表面溫度低于車內(nèi)氣溫所致?？傮w來(lái)看，座椅主要通過(guò)太陽(yáng)輻射吸收熱量，通過(guò)表面輻射、熱傳導(dǎo)和對(duì)流散熱。

圖8 零部件測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.8 Data comparison between test and simulation

圖9 汽車座椅表面溫度曲線Fig.9 Temperature curve of seating surface

圖10 汽車座椅不同換熱方式熱流量變化Fig.10 Heat flux variation of different heattransfer patterns in car seats

同時(shí)，由于前、后擋風(fēng)玻璃透射率分別為0.4、0.5，后排座椅表面的太陽(yáng)輻射傳熱量要高于前排。汽車內(nèi)部是封閉空間，氣體流動(dòng)很小，前、后座椅的對(duì)流散熱都很小。此外，座椅的表面輻射換熱量與表面輻射率和面積的一次方成正比，與座椅溫度的四次方成正比，故溫度稍高的前排座椅表面輻射換熱量較大。

自然暴露下的汽車內(nèi)座椅受到相當(dāng)高的太陽(yáng)輻射，僅靠表面輻射、熱傳導(dǎo)以及自然對(duì)流無(wú)法有效移除表面熱量，座椅表面溫度持續(xù)升高，最高可達(dá)60℃以上，這將給進(jìn)入乘員艙的人員造成嚴(yán)重的熱舒適性問題。

3.2.1座椅表面材料對(duì)座椅熱負(fù)荷的影響

表面熱輻射是座椅表面散熱的主要形式，為研究座椅表面特性對(duì)其熱負(fù)荷的影響，在不改變座椅表面其他特性的情況下，分別改變座椅表面材料的吸收率和發(fā)射率，相比初始方案，方案a的吸收率減小0.2，方案b的吸收率減小0.4，方案c的發(fā)射率減小0.2，方案d的發(fā)射率減少0.4。

仿真得到a、b、c、d方案下座椅表面最高溫度分別為59.010、57.266、60.842、61.315 ℃，其中初始方案為60.491 ℃。座椅表面最高溫度隨著吸收率的降低而下降，吸收率每減少0.2，座椅表面溫度最大值降低約1 ℃。改變發(fā)射率對(duì)表面最高溫度影響不大，發(fā)射率每增加0.2，座椅溫度僅降低約0.4 ℃。這是由于發(fā)射率僅影響座椅的表面輻射散熱量，而表面輻射散熱量是物體表面溫度的四次方，只是發(fā)射率的一次方，故改變座椅表面發(fā)射率對(duì)座椅表面輻射散熱影響不大。而座椅在換熱過(guò)程中太陽(yáng)的輻射傳熱量所占比重很大，故減小座椅表面的吸收率可以減少座椅對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，從而有效降低表面溫度。

一般來(lái)講，物體表面越粗糙吸收率越高，可以在座椅上放置吸收率較低的光滑竹墊來(lái)降低座椅熱負(fù)荷。

3.2.2車窗對(duì)艙內(nèi)座椅表面溫度的影響

太陽(yáng)輻射對(duì)座椅表面熱交換影響最大，故考慮通過(guò)改變車窗玻璃的光學(xué)特性來(lái)限制進(jìn)入艙內(nèi)的太陽(yáng)輻射。根據(jù)量子力學(xué)及固體物理的理論，玻璃的吸收率、透射率和反射率之和為1。2011年，張文燦等[14]通過(guò)仿真分析1天中不同吸收率、透射率的車窗玻璃對(duì)艙內(nèi)熱環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)減小玻璃透射率對(duì)降低車內(nèi)部件溫度作用明顯，而吸收率的變化對(duì)艙內(nèi)溫度影響較弱。

進(jìn)一步研究1天中不同位置的車窗對(duì)艙內(nèi)座椅溫度的影響，假定車窗的吸收率不變，將前、側(cè)、后車窗玻璃的透射率分別增加0.2，圖11為仿真得到的座椅的表面最高平均溫度。增加透射率可以顯著增加座椅表面最大平均溫度，其中由于車頭朝正南方向停放，前排座椅受前窗、側(cè)窗影響很大，溫度升高將近3 ℃，后窗透射率增加對(duì)前排座椅的溫度變化影響相對(duì)較弱。同樣的，由于受到透過(guò)后風(fēng)擋玻璃太陽(yáng)輻射的作用，后排座椅表面溫度受后風(fēng)擋玻璃透射率影響最大，隨著后風(fēng)擋玻璃透射率增加0.2，后排座椅表面也有大約3 ℃的溫度升幅。

圖11 各車窗透射率變化對(duì)座椅溫度的影響Fig.11 Effect of window transmissivity on seattemperature

前、后座椅的溫度分別受前、后擋風(fēng)玻璃的透射率影響最大，考慮到駕駛安全的要求，前擋風(fēng)玻璃透射率不宜過(guò)低，可在不影響駕駛員視線的后窗及后側(cè)窗采用低透射率玻璃。

3.2.3地面對(duì)艙內(nèi)座椅表面溫度的影響

試驗(yàn)和仿真中汽車的停放地面為草地，而實(shí)際生活中汽車的停放環(huán)境往往有更多情況，為了研究不同停放位置對(duì)汽車座椅熱負(fù)荷的影響，分別設(shè)定停放位置為瀝青地面、混凝土地面和土地。

圖12顯示了不同停放地面上汽車座椅表面平均溫度隨時(shí)間的變化。不同地面對(duì)汽車座椅的熱負(fù)荷有較大影響，這是由于座椅安裝在汽車底板上，和底板之間存在熱傳導(dǎo)，而汽車底板的吸熱主要途徑為地面反射的太陽(yáng)輻射及周圍長(zhǎng)波輻射。草地、瀝青、混凝土、沙性土壤的地表反射率分別為0.12、0.10、0.27、0.45。對(duì)比不同停放地面上汽車座椅表面平均溫度可以看出，地表反射率越大座椅的熱負(fù)荷越高。其中，停放在土地上時(shí)座椅熱負(fù)荷最高，其次是瀝青地面和混凝土，草地上的座椅熱負(fù)荷最小。瀝青地面的地表反射率雖略低于草地，其上停放的汽車座椅熱負(fù)荷較草地卻高，這是由于瀝青地面的比熱容遠(yuǎn)低于草地[15]，在受到相同太陽(yáng)輻射下，瀝青地面升溫更多，導(dǎo)致地面長(zhǎng)波輻射增加，從而瀝青地面上停放的車輛受到的地表反射輻射和地表發(fā)射輻射總輻射量較高，艙內(nèi)熱環(huán)境比草地上停放更惡劣。

圖12 不同停放地面上汽車座椅表面平均溫度曲線Fig.12 Average temperature curve of car seats ondifferent ground

3.2.4周圍建筑物對(duì)艙內(nèi)座椅熱負(fù)荷的影響

汽車有時(shí)會(huì)停放在建筑物附近，為分析周圍建筑物對(duì)車內(nèi)座椅表面熱負(fù)荷的影響，仿真中在汽車正西方向距車1 m處設(shè)置一堵寬5 m，厚0.1 m的磚墻，觀察座椅表面溫度場(chǎng)變化。

圖13 正西方向有不同高度磚墻時(shí)座椅表面平均溫度曲線Fig.13 Average temperature curve of seat surface withdifferent height of brick wall in west direction

圖13為汽車正西方向設(shè)有不同高度磚墻時(shí)座椅表面平均溫度曲線。在13：00之前磚墻對(duì)汽車座椅表面溫度幾乎沒有影響，由于陽(yáng)光的照射，座椅表面溫度逐漸升高，數(shù)值和初始模型幾乎重合，13：00點(diǎn)之后設(shè)有磚墻的座椅表面溫度開始低于初始模型的溫度，且隨著磚墻高度增加，平均溫度降幅增加，墻壁增加到8 m時(shí)仿真溫度和初始模型溫度差值達(dá)10℃以上，墻高8 m之后高度繼續(xù)增加，座椅表面溫度降低不明顯。

通過(guò)以上分析，周圍停放環(huán)境對(duì)汽車座椅的熱負(fù)荷有顯著影響，在日常使用汽車時(shí)合理選擇停放位置可以有效降低座椅的表面溫度。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)試驗(yàn)和仿真結(jié)果的對(duì)比分析，熱網(wǎng)格數(shù)值方法能夠高效準(zhǔn)確地計(jì)算車輛內(nèi)外壁面的溫度場(chǎng)及其變化趨勢(shì)，仿真的最大誤差不超過(guò)4.5%。研究表明，夏季氣候條件下，座椅表面熱負(fù)荷主要受太陽(yáng)輻射影響，座椅以表面輻射為主的散熱無(wú)法有效移除表面熱量，表面最高溫度可達(dá)60 ℃以上。

(2)不同表面材質(zhì)特性的座椅，其表面熱輻射也不同，座椅熱負(fù)荷將受到影響，研究表明，表面吸收率相比發(fā)射率對(duì)座椅表面溫度影響更明顯；降低車窗玻璃透射率將減少進(jìn)入汽車艙內(nèi)的太陽(yáng)輻射，從而改善艙內(nèi)熱環(huán)境。前后車窗玻璃透射率分別減小0.2將各導(dǎo)致前、后座椅表面3℃的降溫。通過(guò)對(duì)車輛自身的改進(jìn)，如后窗、后側(cè)窗采用低透射率玻璃，座椅上放置竹墊等措施可以有效改善座椅熱負(fù)荷。

(3)地面主要通過(guò)地表反射熱輻射影響艙內(nèi)座椅的溫度，座椅熱負(fù)荷同時(shí)也受停放地面比熱容的一定影響，人為合理選擇停放地點(diǎn)也可以改善艙內(nèi)熱環(huán)境。對(duì)比來(lái)看，草地鋪層上停放的車輛艙內(nèi)座椅溫度較低，考慮到實(shí)際的停車條件，將汽車停放在適當(dāng)?shù)慕ㄖ锱詴r(shí)，座椅表面溫度可以降低10℃以上。

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