基于流場和溫度場的轎車乘員艙熱舒適性分析*

呂鴻斌，陳 博，高天元，李圓圓，施駿業(yè)，陳江平

（1.上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240； 2.安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601）

前言

我國南方地區(qū)夏季非常炎熱，部分城市甚至超過40℃。由于乘員艙空間狹小且相對封閉，車內(nèi)的溫度快速升高，溫度場不均勻性增大。如果空調(diào)系統(tǒng)設計不好，使出風溫度和風量較小，車內(nèi)的流場組織分布不合理，則不能給乘員很好的降溫。如果駕駛員長期處于此環(huán)境下，容易導致疲勞、精神煩躁和注意力不集中等問題，從而大大增加了發(fā)生交通事故的概率。

隨著計算機和數(shù)值技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的研究人員開始利用CFD對轎車乘員艙的熱舒適性進行研究，如江濤等［1］研究了不同太陽高度角對乘員艙熱舒適性的影響。谷正氣等［2］通過改進空調(diào)風道中所加導流片的3個結(jié)構(gòu)參數(shù)提升了空調(diào)出風總量和出風比例。唐江明等［3］通過對汽車空調(diào)送風格柵優(yōu)化來改進乘員熱舒適性。

已有的研究大多著眼于將PMV-PPD［4］、當量溫度［5］、整體熱感覺偏差［6］和空氣齡［7］作為轎車乘員艙熱舒適性評價的指標，如張炳力等［10］和王靖宇等［11］基于PMV-PPD、空氣齡和冷負荷等指標分析送風參數(shù)對乘員的熱舒適性和艙內(nèi)空氣新鮮度的影響。不過較少從流場和溫度場的角度對乘員的熱舒適性進行深入分析。而本文中主要基于流場和溫度場，利用氣流組織形式、吹臉風速、呼吸點溫度等指標，分析極端炎熱條件下乘客的熱舒適性，并給出轎車風道送風風量和入口溫度設置的系統(tǒng)性意見，對汽車空調(diào)的設計有一定的指導意義。

1 乘員艙模型

使用三維建模軟件CATIA對乘員艙進行建模，部件包括車體、座椅、內(nèi)飾部件、風道和假人等。將模型導入到Star-CCM＋中，經(jīng)過修復、簡化和防接觸的處理后，使用包面的功能提取乘員艙的內(nèi)表面，如圖1所示。

圖1 包面后的乘員艙三維模型

將車頂隱藏后，可清楚看到乘員艙內(nèi)部的結(jié)構(gòu)：前排安排兩名乘員分別為駕駛員和副駕駛員，在儀表盤左、左中、右中和右合計有4個出風口，副駕駛的腳部處開有排氣口，如圖2所示。

圖2 模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 CFD仿真

2.1 基本控制方程

氣流在風道和乘員艙中流動是復雜的三維湍流流動。湍流計算的基本控制方程是三維不可壓縮雷諾時均N-S方程。

（1）連續(xù)方程

式中：矢量ui和uj為平均速度的分量；矢量xi和xj為坐標分量；p為流體微元的壓力；ρ為空氣密度；Cp為比熱容；k為傳熱系數(shù)；μeff為湍流有效黏性系數(shù)；ST為流體內(nèi)熱源由于黏性作用使得機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。

2.2 網(wǎng)格劃分

整個計算模型采用Star-CCM＋中的多面體網(wǎng)格模型，為了計算的準確性，對風道格柵和假人的各個部位等多處進行了加密，并設置兩層的邊界層，最后得到的體網(wǎng)格數(shù)量為4 471 423。劃分網(wǎng)格的模型如圖3所示。

圖3 求解域體網(wǎng)格示意圖

2.3 車身材料參數(shù)

由于乘員艙模型部件眾多，如儀表板、內(nèi)飾板和膠條等，而且計算模型是施加了太陽輻射影響的氣固耦合模型，為了使三維仿真輸入的條件更準確，將具體設置每個部件的導熱系數(shù)、厚度、吸收率、透過率和反射率。為適應實車三維模型的簡化，須對廠商提供的部件實際物性進行調(diào)整。另一方面，空氣從入口經(jīng)過風道再到送風口的過程中會有1～2℃的熱量損失，所以須在風道中設置相應的熱導率和厚度。最后調(diào)整的結(jié)果如表1所示。

2.4 邊界條件設定

為了提高計算的準確性，空間離散方式采用2階迎風差分格式。流場計算方式使用SIMPLE算法。由于乘員艙中的流場比較復雜，部分邊界的曲率較大，故使用可實現(xiàn)的K-Epsilon湍流模型。計算域的入口是風道底部，經(jīng)過風道的分流后再從4個出口中出來，如圖4所示。

表1 車身材料參數(shù)

圖4 風道結(jié)構(gòu)示意圖

為保證從風道出來的風量等分，入口采用壓力進口。其余的邊界條件如表2所示。

3 數(shù)值計算仿真與實驗驗證

3.1 實驗條件與工況表

表2 邊界條件表

為了檢驗模型的準確性，以某款車型SUV在環(huán)模艙中的整車降溫實驗結(jié)果為對比依據(jù)進行驗證。環(huán)模艙內(nèi)環(huán)境溫度保持在（43±0.5）℃，相對濕度為40%，日照量為1 000 W／m2，車內(nèi)車窗和車門全關，開啟內(nèi)循環(huán)模式，駕駛員和副駕駛員各1人，風道送風風量為340 m3／h。

圖5 各送風口送風風量和送風溫度

3.2 出風口溫度和風量驗證

仿真編號1?！?＃，風道入口壓力為100 Pa，風道入口溫度分別為5.5、6.4、5.6和16.3℃，結(jié)果如圖5所示。可知在不同的入口溫度下左中和右中的送風口風量占比都是最高的，這是因為中間的兩個送風風道短且直，阻力較小。仿真總風量平均值為352 m3／h，與實驗值相比誤差小于3.6%。各送風口的平均風量誤差小于4%。

此外，入口溫度越高，風道送風溫度越高，但是相同入口溫度下，左、左中、右中和右送風口溫度基本相等。由于空氣經(jīng)過風道會與周圍空氣進行熱交換而產(chǎn)生熱損失，使得各風口送風溫度均比入口處高1～2℃，仿真的4個出風口的溫度基本與實驗相符，誤差在1℃以內(nèi)。

經(jīng)過實驗和仿真的對比可知，該模型具備一定的準確性和可信性。

4 基于流場分析熱舒適性

4.1 氣流組織分析

從圖6可知，氣流從風道入口進入并經(jīng)過分流后吹向乘員艙，吹向乘員。此時，一部分氣流吹向乘員的手、手臂、軀干和頭部，然后經(jīng)過車頂呈現(xiàn)逆時針漩渦，另一部分氣流則是直接經(jīng)過前排乘員往后排和后備箱流動，接著經(jīng)過座位底部返回到前排乘員的腳部。此外可以觀察到經(jīng)過駕駛員腳部的氣流相對稀疏，因此有可能會導致散熱不佳。

圖6 乘員艙對稱截面氣流組織示意圖

4.2 吹面風速分析

結(jié)合國內(nèi)外舒適性相關研究和我國國民溫度感覺的習慣，夏季將車內(nèi)平均氣流控制在0.5 m／s左右人體感覺最好［12］。過高的吹面風速容易引起乘員的不舒適感。

如圖7所示，選取駕駛員對稱軸截面位置的速度場進行比較分析，送風風量相同時，不同的入口溫度下乘員艙內(nèi)速度場仿真結(jié)果并沒有明顯的區(qū)別。

風道格柵的角度較小，氣流直接吹向前排乘員的胸部，使得不同風量下乘客胸部附近的空氣流速明顯比臉部附近大，如表3所示。通過線性插值得出吹臉風速為0.5 m／s時的送風風量為333 m3／h。350 m3／h風量下的吹臉風速比臨界吹臉風速稍大。

圖7 乘員艙駕駛員對稱軸截面速度場

表3 不同風量下乘客胸部和臉部附近風速

4.3 空氣齡分析

平均空氣齡［7］，最早由Sandberg在20世紀80年代提出用來綜合衡量室內(nèi)通風換氣效果和空氣品質(zhì)的指標，指的是空氣由進氣口到達室內(nèi)某一位置的移動時間，反映了空氣的新鮮程度。某點的空氣齡越小，表示該處的空氣越新鮮，空氣品質(zhì)越好。封閉空間中的某一點的空氣是由不同空氣齡τ的空氣組成，設某空氣齡的概率分布為f（τ），則某一點的空氣齡平均值τp的計算公式如下：

乘客臉部附近靠近鼻子處是乘客直接呼吸空氣團的位置，該處的空氣新鮮度在很大程度上影響著人的空氣新鮮度感受。為方便監(jiān)測呼吸點附近空氣齡和溫度，在Star-CCM＋中創(chuàng)建乘客的呼吸點，駕駛員和副駕駛員的呼吸點坐標分別為（1.357，-0.335，0.961）和（1.357，0.335，0.961），如圖8所示。

圖8 乘員呼吸點位置

選取乘員呼吸點位置的空氣齡進行比較，如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著空氣入口溫度的增加，乘員臉部附近空氣齡降低，但是降低的幅度隨入口溫度升高而降低。因為提升入口溫度有利于增強空氣分子的熱運動，從而提升空氣的運動速率，增加乘員艙內(nèi)的空氣新鮮度，但要以降低乘員和乘員艙內(nèi)降溫效果作為代價，且空氣新鮮度的提升幅度有限，最多提升3%～12%。在不同的入口溫度下，副駕駛員相比駕駛員臉部附近空氣齡都要小3 s左右，說明副駕駛員感受到的空氣新鮮度要比駕駛員要稍高。

圖9 乘員臉部附近空氣齡

5 基于溫度場分析熱舒適性

5.1 乘員艙溫度分布

選取駕駛員對稱軸截面位置的溫度場進行比較分析，如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著入口溫度的提高，駕駛員對稱軸截面位置的溫度場整體溫度升高，說明乘員艙的整體溫度升高?？拷惋L口位置的溫度最低，而后備箱、后排乘員座位底部和乘員腳部位置由于氣流不容易流動，致使熱量積聚，溫度較高。

圖10 乘員艙駕駛員對稱軸截面溫度場

根據(jù)經(jīng)驗，夏季車內(nèi)溫度推薦值為23～26℃［12］。乘員的頭部、小腿、大腿和腳部等人體主要部位附近空氣溫度在22～30℃，考慮到此時周圍空氣正處于43℃的炎熱天氣，再加上1 000 W／m2的太陽輻射強度，此溫度范圍尚可接受。

5.2 乘員身體各部位溫度分析

分析乘員頭、上臂、大腿和腳部等部位表面平均溫度，如表4所示，風道空氣入口溫度越低，乘員身體各部位表面平均溫度越低。在相同的條件下，兩位乘員的頭部、上臂和大腿表面平均溫度互有高低，但溫差不超過0.5℃。而副駕駛員的腳部表面平均溫度卻明顯比駕駛員的低2.4～5.7℃。說明在一定程度上副駕駛員的熱舒適性要比駕駛員的高。結(jié)合圖2，原因是實車的排氣口設置在副駕駛員的腳部上方，使得副駕駛員的腳部附近的空氣流動比駕駛員的腳部附近空氣流動更加密集，降溫效果更加明顯。

表4 乘員主要部位表面平均溫度 ℃

5.3 乘員呼吸點溫度分析

比較前后排呼吸點溫度，如圖11所示。相同條件下實驗值和仿真值最多相差1.2℃。當風道入口溫度越低時，前后排呼吸點溫度越低，且在相同的條件下，均比該車型企標既定的臨界溫度值要低，說明此時乘客呼吸點溫度滿足企業(yè)既定的舒適度要求。

值得注意的是，后排乘員的呼吸點溫度要比前排高0.5～2.6℃。結(jié)合圖6和圖8，這是因為風道格柵角度較低，使得出風剛好對準了乘員頸部以下的位置，沒有對準乘員臉部。此時氣流先經(jīng)過乘員手、手臂、軀干、臉部，再到車頂后逆時針返回，形成渦流。前排乘員的呼吸監(jiān)測點恰好在該渦流的中心處附近。在漩渦區(qū)中心，風速低，熱量容易集聚起來，不利于散熱，往往會形成高溫區(qū)，即所謂的“速度死區(qū)”。而后排呼吸點則處于氣流渦旋的外圍，容易散熱，所以前排乘員的呼吸點溫度比后排高。

圖11 前后排呼吸點溫度

分析不同入口溫度范圍對空氣新鮮度和呼吸點溫度的敏感性，如表5所示，入口溫度從9.5到16.3℃，每提升1℃，空氣新鮮度僅提升0.75%，小于1%，而乘客呼吸點溫度升高2.6%，兩者相差3.5倍，說明此溫度范圍內(nèi)溫度升高對乘客呼吸點溫度的影響明顯比空氣新鮮度大，為提高空氣新鮮度而犧牲乘客的降溫效果在9.5～16.3℃的入口溫度范圍內(nèi)顯得不劃算。

表5 不同入口溫度范圍對空氣新鮮度和呼吸點溫度的敏感性

6 結(jié)論

（1）本文中在考慮太陽輻射情況下建立仿真模型，在不同入口溫度條件下，仿真與實驗相比，風量誤差在4%以內(nèi)，送風溫度和前后排呼吸點溫度誤差分別在1和1.2℃以內(nèi)，證明建立的模型具備一定的可靠性和準確性。

（2）在極端炎熱天氣之下，提高送風風量至臨界風量附近，既能避免為乘員帶來過于強烈的吹風感，又能最大限度地保證降溫效果。經(jīng)過分析，本車型的臨界風量在333 m3／h左右。

（3）隨著入口溫度的升高，艙內(nèi)空氣新鮮度隨之升高，降溫效果降低。而空氣新鮮度對于入口溫度的敏感性在當入口溫度處于超過9.5℃的較高溫范圍時，相比乘員呼吸點溫度出現(xiàn)明顯衰減，進一步說明當入口溫度處于較高溫范圍時為提高艙內(nèi)空氣新鮮度而犧牲乘員的降溫效果顯得“得不償失”。

（4）空調(diào)系統(tǒng)在設計時需要考慮艙內(nèi)空氣的流動，調(diào)整風道格柵角度，避免置乘員呼吸點于氣流渦旋中心造成散熱不佳，即避免“速度死區(qū)”。同時也要考慮腳部附近空氣的流動散熱。