泄壓閥對乘客艙通風流量和艙內(nèi)壓強影響的評估

王夫亮

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201206，中國）

汽車乘客艙內(nèi)的空氣質(zhì)量會影響乘員的舒適性甚至安全和健康狀況，空氣質(zhì)量不佳的艙內(nèi)環(huán)境容易使人疲勞、注意力不集中，影響乘坐感受甚至駕駛安全性[1～5]。

G. Mathur對座艙碳二氧化物的積累與乘員、車速、車輛泄漏、車齡影響、新舊車輛和環(huán)境溫度等因素的關系進行了大量的實驗研究[6～11]。J. D. Power公司對中國和全球新車的車內(nèi)空氣質(zhì)量進行了展示研究，“令人不快的車內(nèi)氣味”是第一大消費者投訴[12]。乘客艙良好的通風能力有助于持續(xù)從外界獲得新鮮空氣，使乘客艙內(nèi)保持較高的空氣質(zhì)量，提高駕乘人員的舒適性。如果乘客艙通風不暢，乘客艙內(nèi)的空氣就無法及時地與外界進行交換，引起空氣質(zhì)量下降。此外，通風不暢還會導致艙內(nèi)壓強升高，引起駕乘人員耳部不適。

乘客艙通過車身上的開口與周圍環(huán)境進行空氣交換，這些開口的設計直接影響了乘客艙的空氣質(zhì)量和通風性能。這些開口包括內(nèi)飾板/儀表板間隙、前后側(cè)門縫、天窗縫隙、行李箱/尾門縫隙和泄壓閥(pressure relief valve，PRV)[13]。由泄壓閥PRV引起的泄漏稱為可控泄漏(controlled leakage)，由其它車身間隙/縫隙引起的泄漏稱為非可控泄漏(uncontrolled leakage)。

為了獲得理想的乘客艙艙內(nèi)空氣質(zhì)量以及艙內(nèi)壓強，需要對乘客艙的泄漏進行合理的設計。產(chǎn)生非可控泄露的開口形狀復雜，縫隙較小，在設計時難以進行準確的控制。產(chǎn)生可控泄漏的泄壓閥大多設計在車身后端行李箱的側(cè)壁上，通過乘客艙內(nèi)外的壓強差控制閥的開閉。當艙內(nèi)壓強大于外界壓強時，泄壓閥風門在壓強作用下產(chǎn)生一定開度，排出一部分艙內(nèi)空氣，艙內(nèi)壓強減小，從而起到調(diào)節(jié)艙內(nèi)空氣流量和壓強的作用。

對于流場相關的問題，可以通過流場計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)仿真計算獲得流速、流量和氣流壓強等結(jié)果，為系統(tǒng)和零件的設計提供支持和參考。然而乘客艙非可控泄漏難以準確建模，可控泄漏（泄壓閥）風門在氣流壓強作用下處于動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，相應的流場仿真計算需進行時間相關的動邊界數(shù)值模擬，計算量大，難以快速支持工程設計。

本文利用流場CFD仿真分析和乘客艙通風流量—艙內(nèi)壓強試驗結(jié)果，對非可控泄漏和非可控泄漏的影響進行等效處理，建立了泄壓閥對乘客艙通風流量和艙內(nèi)壓強影響的評估方法，為泄壓閥設計提供有益參考。

1 分析方法和流程

本文針對某款多用途汽車(multi-purpose vehicles,MPV)，結(jié)合該車型乘客艙通風流量—艙內(nèi)壓強性能試驗獲得的通風流量和乘客艙內(nèi)壓強數(shù)據(jù)，對乘客艙內(nèi)流場進行仿真計算，并對仿真得到的艙內(nèi)壓強和泄漏面積數(shù)據(jù)進行擬合，獲得二者之間的變化規(guī)律，對非可控泄漏和可控泄漏等效開口面積進行標定和調(diào)整，先后建立了準確的非可控泄漏和可控泄漏的等效開口方案，并基于此開口方案，計算了不同流量和開口面積下的艙內(nèi)流量—壓強變化規(guī)律。

該車型乘客艙通風流量—艙內(nèi)壓強性能試驗在室內(nèi)環(huán)境中進行，試驗過程中車輛處于靜止狀態(tài)，試驗過程和結(jié)果分為泄壓閥關閉和打開2種工況，見表1。

表1 乘客艙通風流量-艙內(nèi)壓強試驗結(jié)果

基于此通風流量和艙內(nèi)壓強試驗結(jié)果和乘客艙內(nèi)流場仿真分析，建立了如下可控泄漏和非可控泄漏等效方案標定分析流程。首先設定乘客艙通風流量81 L·s-1，關閉泄壓閥，用側(cè)門縫開口等效非可控泄漏作用，將艙內(nèi)壓強仿真計算結(jié)果和試驗結(jié)果進行比較，如果計算表壓強高于125 Pa，增加非可控泄漏等效開口面積，如果計算表壓強小于125 Pa，則減小非可控泄漏的等效開口面積。

當完成3個方案的計算后，對艙內(nèi)壓強和開口面積計算結(jié)果進行二次多項式擬合，根據(jù)擬合得到的二次多項式計算125 Pa對應的等效開口面積，然后根據(jù)面積計算結(jié)果來調(diào)整等效開口的大小，繼續(xù)對乘客艙內(nèi)流場進行計算。根據(jù)計算結(jié)果來更新擬合方程，根據(jù)新的擬合方程來計算非可控泄漏等效開口面積。

可控泄漏等效開口面積確定之后，利用同樣的方法確定等效的泄壓閥（可控泄漏）開口面積。非可控泄漏和可控泄漏的等效開口面積方案的確定過程總結(jié)如圖1所示。獲得等效可控泄漏和非可控泄漏開口面積之后，計算不同流量和開口面積條件下的乘客艙內(nèi)流量—壓強變化規(guī)律，為開發(fā)前期泄壓閥設計和相應設計方案的艙內(nèi)壓強評估提供參考。

2 乘客艙模型

乘客艙內(nèi)流場計算域如圖2所示。艙內(nèi)空間x向長度為4 m，y向?qū)挾葹?.72 m，z向高度為1.34 m，艙內(nèi)空間體積為4.58 m3。前儀表板上的4個空調(diào)出風口作為計算域入口，仿真計算邊界條件設置為速度入口，若令乘客艙通風體積流量為，空調(diào)出風口面積為A；則空調(diào)出風口速度為

非可控泄漏等效開口和可控泄漏開口（泄壓閥）位置和形狀如圖3所示。非可控泄漏等效開口位于左右滑移門的門縫位置。通過多次擬合泄壓閥關閉和打開情況下的艙內(nèi)壓強和泄漏面積對應關系曲線，逐步確定準確的非可控泄漏和可控泄漏開口面積大小。

試驗過程中乘客艙內(nèi)壓強測點位于主駕頭部位置，仿真計算的壓強監(jiān)控和輸出點的位置與之相一致，取主駕頭部位置正方體8個頂點壓強的平均值作為乘客艙內(nèi)的壓強值，如圖4所示。

3 數(shù)值方法與計算設置

計算網(wǎng)格如圖5所示。計算域總網(wǎng)格數(shù)為1 400萬。計算選用基于壓強修正的SIMPLE算法，湍流模型為Realizable 模型，近壁區(qū)流場采用非平衡壁面函數(shù)進行處理，壓強離散格式為Standard，動量、湍流動能和湍流耗散率離散格式為二階迎風格式。張量指標形式表示的流場控制方程如式(1)—(3)所示，即為時均連續(xù)方程、Reynolds方程和標量的時均輸運方程[14]。

式中： ρ為空氣密度， t為時間，u為速度，u'為脈動速度，p為壓強， s為源項，下標i和j指標取值范圍為（1、2、3）。流場仿真計算邊界條件如下表2所示。

表2 乘客艙內(nèi)流場數(shù)值模擬邊界條件設置

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 非可控泄漏等效開口面積標定

圖6所示為泄壓閥關閉時，流線顯示的乘客艙內(nèi)的流動狀態(tài)。氣流從4個空調(diào)出風口流出，主要從乘客艙上部流向后方，大部分氣流在第3排座椅的阻礙下，流動方向折返向前方，經(jīng)由門縫等效開口流出乘客艙，少部分氣流越過第3排座椅流向行李廂內(nèi)。

圖7為艙內(nèi)乘客腰部位置水平面和縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)的氣流速度矢量分布。在座椅的阻礙作用下，氣流在座椅前方形成回流，然后經(jīng)由座椅中間的位置流向乘客艙空間后方，行李廂內(nèi)氣流速度較小。

確定非可控泄漏等效開口面積時，計算多組艙內(nèi)壓強和非可控泄漏開口面積數(shù)據(jù)，擬合得到開口面積(y = A/cm2)與艙內(nèi)壓強(x = p/Pa)之間的關系方程為：y = 0.003 7 x2-1.287 9 x+193.889 1，如圖8所示。由圖8可以看出：非可控泄漏等效開口面積與艙內(nèi)壓強之間的變化規(guī)律呈二次多項式的變化關系。

4.2 可控泄漏等效開口面積標定

圖9所示為泄壓閥打開時，氣流速度矢量顯示的乘客艙內(nèi)的流動過程，氣流從空調(diào)出風口向后流過兩排座椅，一部分在第3排座椅阻礙下折返向前，從下方回流到乘客艙前部，大部分氣流越過第3排座椅，在行李廂內(nèi)從主駕側(cè)的泄壓閥流出乘客艙。氣流的主要途徑流經(jīng)艙內(nèi)乘員的頭部位置，能夠起到較好的空氣流通作用，保持乘客艙內(nèi)空氣質(zhì)量。

圖10為氣流穩(wěn)定后乘客腰部、胸口、頸部和頭部位置水平面內(nèi)的速度分布，可以看出艙內(nèi)乘客周圍氣流流動性較好，有利于較好地保持艙內(nèi)空氣的新鮮程度。

確定可控泄漏等效開口面積過程與前文所述類似。初步試算3個PRV開口的艙內(nèi)壓強值，擬合開口面積與艙內(nèi)壓強之間的變化關系方程，根據(jù)方程計算125 Pa對應的開口面積，然后利用這個開口面積進行艙內(nèi)流場仿真計算，根據(jù)計算結(jié)果確認艙內(nèi)壓強值，最終獲得125 Pa對應的PRV開口面積為118.42 cm2。PRV開口面積(y= A/mm2) 與艙內(nèi)壓強(x=p/Pa) 的擬合方程為： y = 0.011 1 x2- 3.788 7 x + 418.70，也呈二次多項式的變化關系，如圖11所示。

4.3 艙內(nèi)壓強與通風流量的變化

乘客艙內(nèi)的空氣壓強影響乘客舒適性，較高的耳內(nèi)壓強容易引起不適感而產(chǎn)生抱怨，乘客艙通風也需要足夠流量的流動空氣，保持艙內(nèi)空氣質(zhì)量。因此在進行泄壓閥設計時，需要考慮其與通風流量和艙內(nèi)壓強的相互關系。根據(jù)確定下來的非可控泄漏和可控泄漏等效開口方案，計算了多個通風流量(x = q/(L·s-1))下的乘客艙內(nèi)壓強(y = p/Pa)值，擬合二者之間的變化關系方程為： y = 0.004 9 x2- 0.019 9 x + 0.592 4。可見對于確定的可控泄漏和非可控泄漏設計方案，乘客艙內(nèi)壓強隨通風流量的增加而以二次多項式的規(guī)律增大，可以參考這一規(guī)律進行空調(diào)系統(tǒng)通風流量和艙內(nèi)壓強的設計。

圖12所示分別為乘客艙內(nèi)平均壓強為87 Pa時，乘客胸口位置水平面和副駕座椅中間位置豎直平面的壓強分布圖。從圖中可以看出艙內(nèi)前方位置壓強高于后方，這是由于艙內(nèi)前方位置氣流速度高于后方，較高的氣流速度形成較低的壓強分布。乘客艙內(nèi)壓強分布較為均勻，最大和最小壓強的差值小于1 Pa，表明艙內(nèi)空氣流動狀況較為理想，沒有形成局部的較高壓強，泄壓閥的設計位置和開口面積較為合理。

5 結(jié) 論

本文針對乘客艙內(nèi)通風和空氣壓強設計時，難以直接確定非可控泄漏和可控泄漏的難題，根據(jù)艙內(nèi)通風流量-艙內(nèi)壓強試驗數(shù)據(jù)，建立了準確的可控泄漏和非可控泄漏等效方案和評估流程，研究了乘客艙通風流量、艙內(nèi)壓強和可控泄漏開口面積的相互變化規(guī)律，并對艙內(nèi)通風時的氣流流動狀態(tài)和途徑的動態(tài)過程進行了分析，主要結(jié)論如下：

1） 結(jié)合乘客艙內(nèi)通風流量-艙內(nèi)壓強性試驗數(shù)據(jù)和乘客艙內(nèi)流場CFD仿真，可以獲得準確的可控泄漏和非可控泄漏開口等效方案；

2） 泄漏開口面積和乘客艙壓強、乘客艙壓強和通風流量之間按照二次多項式規(guī)律變化；

3) 根據(jù)等效開口方案和艙內(nèi)流場CFD計算結(jié)果，能夠?qū)ε搩?nèi)通風狀況和氣流途徑進行詳細的分析和評估，為泄壓閥設計和乘客艙舒適性分析提供有益參考。