車輛艙室流動(dòng)傳熱及溫度場分析

黃強(qiáng)，朱玉琴,2，張?jiān)?，謝蘭川

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)重慶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039）

人體熱舒適性是乘員最關(guān)注的問題之一。某車輛艙室內(nèi)部空間狹小，外部環(huán)境復(fù)雜，駕駛艙和乘員艙內(nèi)熱環(huán)境舒適與否對人員的戰(zhàn)斗力及人因可靠性起著決定性的作用。關(guān)于駕駛艙及乘員艙的舒適性問題也引起了研究者的關(guān)注，文獻(xiàn)[1-3]研究了空調(diào)對車艙內(nèi)流場及溫度場的影響，通過直觀地顯示部件的內(nèi)部空間和各個(gè)橫截面上的流場和溫度場來改善乘員的舒適性[4-5]。因此，為確保車艙溫度場分布均勻，避免出現(xiàn)溫度過高或過低區(qū)域，文中利用 CFD方法對某車輛艙室進(jìn)行仿真計(jì)算與分析，以太陽輻射、熱特性參量、送風(fēng)流速和大氣周圍環(huán)境為輸入?yún)?shù)，求得艙內(nèi)溫度分布以及隨時(shí)間變化的情況，從而找出艙內(nèi)溫度最高的部位和冷卻氣流流速及方向的變化，為改善氣流分布、避免余熱，提高車艙乘坐舒適性提供參考。

1 模型及計(jì)算方法

1.1 幾何模型

文中基于 CATIA建立了車艙實(shí)體模型，車艙主要由駕駛艙、動(dòng)力艙、乘員艙構(gòu)成。建立模型時(shí)，由于艙體外壁面對動(dòng)力艙內(nèi)空氣流動(dòng)影響很小，對其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕c填充，對幾何尺寸很小或?qū)諝饬鲃?dòng)和換熱作用影響不強(qiáng)烈的部件也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕褪÷訹6]。綜合考慮各部件對車艙溫度的影響，對空間主體及其內(nèi)部主要部件按照設(shè)計(jì)尺寸構(gòu)建三維模型，從而形成空氣流動(dòng)計(jì)算區(qū)域。某車輛內(nèi)艙結(jié)構(gòu)（俯視）如圖1所示，其計(jì)算簡化模型如圖2所示。

圖1 某車輛及車艙內(nèi)部

圖2 計(jì)算簡化模型

1.2 計(jì)算方法

由于描述能量交換的體系龐雜，特征模型又包含非線性影響因素較多，因此只能運(yùn)用數(shù)值方法獲得模型的解。針對研究對象的溫度分布，考慮到車艙內(nèi)的空氣流動(dòng)和傳熱非常復(fù)雜，在數(shù)值模擬前進(jìn)行了如下假設(shè)：車艙主要發(fā)熱源包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙和車艙頂部，車艙內(nèi)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定；通過空調(diào)進(jìn)入到車艙內(nèi)的空氣溫度恒定，車艙外部溫度恒定；默認(rèn)空氣密度不變，在每個(gè)工況下為不可壓縮穩(wěn)態(tài)定常流動(dòng)[7]，空調(diào)入風(fēng)口流速不高，視為不可壓黏性流動(dòng)，流體流動(dòng)的控制方程組如下：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

式中：ρ為空氣密度；μi，μj，μk分別為坐標(biāo)系3個(gè)方向的時(shí)均速度；xi，xj，xk分別為直角為角坐標(biāo)的3個(gè)系坐標(biāo)；p為壓力。為了準(zhǔn)確模擬車艙的空氣流動(dòng)，選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型[7-8]，模型中湍流黏度包括湍流動(dòng)能κ和耗散率ε，且都包含對流和擴(kuò)散項(xiàng)。

2 CFD數(shù)值仿真

2.1 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬區(qū)域?yàn)榭諝鈴目照{(diào)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入艙內(nèi)，到出風(fēng)口離開車艙而流過的所有區(qū)域。文中提取車艙的內(nèi)表面及各部件的外表面組成車內(nèi)空氣流動(dòng)域。網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞也直接影響CFD計(jì)算結(jié)果的精度。利用ICEM CFD軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺寸取40 mm，對網(wǎng)格進(jìn)行等尺寸失真等角失真的質(zhì)量檢查，并通過加密流動(dòng)復(fù)雜區(qū)域，使計(jì)算更加準(zhǔn)確，符合實(shí)際情況。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

2.2 邊界及工況條件

在計(jì)算區(qū)域的入口處，應(yīng)用速度入口邊界條件，輸入空氣入口速度為 2 m/s，并且水平進(jìn)風(fēng)，輸入進(jìn)口邊界處的空氣總壓、總溫和湍流參數(shù)。在計(jì)算區(qū)域的出口處，應(yīng)用質(zhì)量出口邊界條件。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙本身具備散熱條件，高溫往往集中在艙內(nèi)頂部，對于機(jī)艙壁面，應(yīng)用壁面熱流量邊界條件。對于車框架邊界，由于車頂部受太陽輻射，溫度往往高于其他車框部件，文中應(yīng)用已知的外部平均溫度作為邊界條件輸入，各壁面的輻射傳熱不計(jì)[9-10]。同時(shí)，文中采用了太陽輻射模型，太陽輻射的直射強(qiáng)度為 1000 W/m2，散射強(qiáng)度為400 W/m2，方位角為90°，高度角為90°。

實(shí)車跑車測試測得的某白天日照條件下溫度隨時(shí)間變化的趨勢如圖4所示，可以看出，隨著試驗(yàn)工況的進(jìn)行，車艙內(nèi)溫度變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，這主要是由于外部溫度、車艙運(yùn)行狀況、空調(diào)入風(fēng)口溫度等原因造成的。考慮到1 h內(nèi)變化溫度大約1 ℃，瞬態(tài)計(jì)算量將十分龐大，采用拉格朗日插值法，對于外部環(huán)境溫度每10 min取一個(gè)插值點(diǎn)，各壁面的邊界條件采用運(yùn)行工況下最后溫度平衡時(shí)刻的試驗(yàn)壁溫，對典型工況穩(wěn)態(tài)條件下的車內(nèi)外能量平衡時(shí)刻進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖3 網(wǎng)格劃分模型

2.3 車艙溫度場、流場分析

通過對某車輛艙室內(nèi)部溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，可以比較全面地分析車艙內(nèi)的溫度場和流場?？紤]到車艙溫度場主要受外部環(huán)境溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度的影響，一般情況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙運(yùn)行時(shí)間越長，溫度越高，變化范圍在 60～80 ℃之間，文中以時(shí)間為 14：00，環(huán)境溫度為35 ℃、車載頂部溫度為80 ℃進(jìn)行數(shù)值模擬和比較分析。

為了方便分析車艙的舒適性能否滿足要求，文中分析了車艙的溫度是否出現(xiàn)過高和過低的區(qū)域。圖5為某工況下，z截面為0.3 m，1.5 m，2.4 m，y截面為0.4 m的溫度云圖，圖6為車艙內(nèi)空氣流線圖。

圖4 溫度與時(shí)間的變化關(guān)系

圖5 溫度云圖

圖6 進(jìn)風(fēng)流線圖

由圖5和圖6可知，通過對該工況下艙室內(nèi)部溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，可以較全面地分析車艙內(nèi)部的溫度情況。由上面的流線與溫度分布可看出：駕駛員艙空調(diào)出風(fēng)口的流量較小，并且部分空氣直接流向乘員艙，導(dǎo)致散熱情況不明顯，駕駛艙的平均溫度高于乘員艙2 ℃左右；發(fā)動(dòng)機(jī)艙附近溫度偏高，從流線分布可以看出，在空調(diào)風(fēng)扇的作用下，大量空氣經(jīng)進(jìn)風(fēng)口沿該車艙上表面后經(jīng)過側(cè)面、頂端流出回風(fēng)口，導(dǎo)致駕駛艙的空氣流動(dòng)不明顯。

圖7為車艙截面y =1.1 m處的溫度分布云圖。該截面位于載員頭部附近，溫度偏高，截面的最高溫度為37 ℃，最低溫度位于空調(diào)口，溫度大約為25 ℃。圖8為車艙截面y=0.5 mm處的空氣溫度分布云圖。此截面位于載員的腿部附近，此截面的最高溫度為35.2 ℃，為了便于直觀地表現(xiàn)車艙內(nèi)部的溫度變化規(guī)律，取車艙的12個(gè)橫截面處的平均溫度，如圖9所示。圖10為x方向上各截面的平均溫度變化曲線。由曲線可知，駕駛艙的平均溫度高于乘員艙 5 ℃左右，乘員艙入風(fēng)口位置溫度最低。這是因?yàn)轳{駛艙出風(fēng)口流量較小，并且部分空氣直接流向乘員艙，導(dǎo)致散熱情況不明顯，乘員艙在空調(diào)風(fēng)扇的作用下，大量空氣經(jīng)進(jìn)風(fēng)口后沿該車艙上表面后經(jīng)過側(cè)面、頂端流出回風(fēng)口，過道位置氣流分布略不足。

圖7 截面y=1.1 m溫度分布云圖

圖8 截面y=0.5 m溫度分布云圖

圖9 車艙截面位置

圖10 艙室x向各截面平均溫度變化曲線

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

針對艙室人體熱舒適性的研究途徑分為兩種：數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究。文中基于 CFD方法，對艙室在日照高溫環(huán)境下進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖11所示。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著外界環(huán)境溫度和車載運(yùn)行時(shí)間的增加，各艙室位置溫度有階躍，總體為增加趨勢。根據(jù)裝備環(huán)境測試要求，對車輛艙室進(jìn)行環(huán)境溫度測試。試驗(yàn)中測取艙室主要位置的溫度點(diǎn)，測量點(diǎn)應(yīng)分布在每個(gè)相應(yīng)獨(dú)立空間的微環(huán)境單元中，傳感器必須置于空氣中而不能置于儀器或結(jié)構(gòu)的表面，隨著溫度采集儀的一體化和便攜式，車艙在三種環(huán)境工況下進(jìn)行測量，測量值和計(jì)算值對比如圖12所示。

圖11 乘員艙位置溫度隨時(shí)間變化曲線

由圖12可知，車艙的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，最大誤差約為12%。對比結(jié)果表明，仿真計(jì)算值一般高于試驗(yàn)值。主要原因包括：對車艙框架的材料及傳熱性能缺乏具體了解；對車艙各個(gè)壁面、內(nèi)部設(shè)備的傳熱及輻射進(jìn)行了忽略；忽略了乘員人體溫度的影響。由于仿真計(jì)算受多種因素的影響，誤差值在可接受范圍之內(nèi)，仿真模型能為試驗(yàn)提供參考。

圖12 三種工況下仿真值與試驗(yàn)值對比

4 結(jié)論

文中針對乘員舒適性問題，對某車輛艙室空氣流場及溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬和溫度場分析，并將仿真計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行了對比，得出了以下結(jié)論。

l）建立了某艙室空氣流場與溫度場的CFD計(jì)算模型，應(yīng)用了商業(yè)軟件 Fluent進(jìn)行三維數(shù)值求解，CFD的計(jì)算值與試驗(yàn)值對比顯示最大誤差約為12%，基本滿足工程要求。

2）在空調(diào)風(fēng)扇的作用下，氣流能夠較好地帶走熱量，在典型截面分析的基礎(chǔ)上，通過Fluent能清楚地得到艙室溫度分布情況和空氣流動(dòng)情況，CFD技術(shù)能夠較好地反應(yīng)空氣流動(dòng)及溫度分布情況，是一種有效、便捷的預(yù)測分析手段，為計(jì)算和改進(jìn)溫度場分布提供了技術(shù)支持，本文的分析結(jié)果可以為車艙溫度場設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供科學(xué)的方法和理論依據(jù)。

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