某輕卡乘員艙熱舒適性分析

張 丹，徐新潔，劉希東，丁樂芳

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

為改善乘員熱舒適性和保障行車安全，目前大部分車輛都裝配了空調(diào)系統(tǒng)，通過空調(diào)系統(tǒng)的制冷、供暖、除霜等功能來改善車內(nèi)的熱環(huán)境，但車內(nèi)熱環(huán)境的改善又嚴(yán)重影響著汽車燃油經(jīng)濟性和排放特性。研究表明，約30%的汽車燃油消耗與車內(nèi)熱環(huán)境有關(guān)[1]。在開啟空調(diào)的情況下會增加一氧化碳排放量0.99 g/km（71%），增加氮氧化物排放量0.12 g/km（81%）[2]。此外，電動汽車已經(jīng)成為未來汽車發(fā)展的趨勢，空調(diào)系統(tǒng)所耗能量全部來源于動力電池，車內(nèi)熱環(huán)境控制所耗能源情況，將嚴(yán)重影響車輛的續(xù)駛里程，如何有效地進(jìn)行車內(nèi)熱環(huán)境控制已成為電動汽車研究人員面臨的全新挑戰(zhàn)[3]。

熱舒適是對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)[4]，影響人體熱舒適性的主要因素包括環(huán)境因素和人的因素，其中環(huán)境因素主要包括空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速、空氣相對濕度等；人的因素包括人的新陳代謝和衣服的熱阻等[5]。在狹小非均勻的熱環(huán)境下研究人體的熱舒適性須考慮人體每一部分與周圍環(huán)境的熱交換[6]。

本文以福田輕卡車型為研究對象，按照研究內(nèi)容簡化整車模型，設(shè)置流場及熱邊界條件，引入假人熱調(diào)節(jié)模型，通過流體軟件和熱輻射軟件的聯(lián)合仿真，得到乘員艙內(nèi)的速度場和溫度場情況，得出乘員艙熱舒適性評價的結(jié)論，從而指導(dǎo)設(shè)計開發(fā)，具有較大的工程價值。

1 計算模型的介紹和建立

1.1 Theseus-FE與Star-CCM+耦合原理

Theseus與Star-CCM+耦 合 時，Theseus計 算熱傳導(dǎo)與熱輻射，將壁面溫度提供給Star-CCM+作為邊界條件，Star-CCM+計算流場熱對流，并將壁面周圍的流體溫度及熱傳遞系數(shù)提供給Theseus進(jìn)行下一步計算，如此往復(fù)，實現(xiàn)耦合計算。Theseus模型和Star-CCM+模型如圖1和圖2所示。

圖1 Theseus模型

圖2 Star-CCM+模型

1.2 計算模型和主要邊界條件

Star-CCM+邊界條件如圖3所示。

圖3 低速工況各出風(fēng)口溫度隨時間變化曲線

Theseus-FE邊界條件如圖4所示。

圖4 材料邊界條件模型

表1 模型和邊界條件

1.3 Theseus-FE中的Fiala模型

Theseus-Fiala中使用了兩種不同的幾何模型：在前處理和后處理中使用殼來施加邊界條件，定義衣服（使用的殼單元為PSHELLMF）。在內(nèi)部求解器中使用的是Fiala提出的模型，使用半球體做頭部，圓柱體做人體的其它部位。所有的模型通過熱流與先進(jìn)行計算的殼模型相關(guān)聯(lián)，然后采用內(nèi)部求解器進(jìn)行求解。假人模型局部邊界條件如圖5所示。

表3 Theseus-Fiala假人模型

圖5 假人模型局部邊界條件

2 建立計算模型

2.1 建立計算分析模型

分別建立Theseus-FE和Star-CCM+分析模型，仿真分析監(jiān)測點位置與降溫試驗布點位置一致，為了準(zhǔn)確測量分布在乘員艙各處的空氣溫度，該試驗共布置18個溫度傳感器。試驗布點及仿真監(jiān)測點位置如圖6所示。由圖可知，在駕駛員、副駕駛員的頭部和足部共布置4個傳感器；前排中間座椅和扶手箱上分別布置A桿和B桿，并從上至下分別布置6個傳感器；乘員艙后部左右吊鉤處各布置1個傳感器。

圖6 試驗布點及仿真監(jiān)測點位置

2.2 Theseus與Star-CCM+耦合計算

由上文可知，耦合過程中Theseus-FE給Star-CCM+提供壁面溫度，Star-CCM+由此溫度計算得到的對流換熱系數(shù)及邊界上的流體溫度再回傳給Theseus-FE進(jìn)行下一步計算，直到計算結(jié)束。

3 熱舒適性評價標(biāo)準(zhǔn)

3.1 客觀評價指標(biāo)

乘員艙內(nèi)的流場分布評價指標(biāo)如下：

（1）乘客頭部風(fēng)速：大致穩(wěn)定在0.15～0.40 m/s之間，最高速度不能超過3 m/s。

（2）儀表板出風(fēng)比例分配：駕駛員側(cè)的風(fēng)量略大于副駕駛一側(cè)，大約占總風(fēng)量的51%～52%左右。

（3）各出風(fēng)口風(fēng)速差：≤2 m/s，否則就會出現(xiàn)乘員艙內(nèi)溫度場、速度場分布不均勻，從而產(chǎn)生漩渦，不利于乘員艙內(nèi)空氣更新。

（4）鼻部風(fēng)速：大致在0.2～0.6 m/s之間。

（5）平均空氣齡：空氣由進(jìn)氣口到達(dá)室內(nèi)某一位置的移動時間?？諝恺g反映了乘員艙內(nèi)各個位置處的氣體新鮮程度。

3.2 主觀評價指標(biāo)

本次主觀評價采用國際通用的等效溫度的評估指標(biāo)EN ISO 14505-2，是人體不同部位對溫度的主觀評價標(biāo)準(zhǔn)，CAE分析結(jié)果依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。

圖7 ISO 14505-2評價標(biāo)準(zhǔn)

4 仿真結(jié)果分析

為了對乘員艙內(nèi)部的熱舒適性進(jìn)行分析，共選取了4個具有代表性的截面和假人表面，來監(jiān)測乘員艙內(nèi)的流場和溫度場狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 各截面位置

4.1 客觀評價結(jié)果

由圖9可知，駕駛員和副駕駛頭部、胸部前方有較大的渦旋，流場擾動劇烈，周圍環(huán)境散熱明顯。

圖9 乘員艙內(nèi)部整體流線

由圖10～13可知，駕駛員和副駕駛員胸部對應(yīng)的吹風(fēng)速度最大，達(dá)到1.6 m/s，吹風(fēng)感較為強烈，在炎熱的夏季能夠迅速降溫；駕駛員和副駕駛員頸部后方與座椅之間的風(fēng)速達(dá)到0.6 m/s以上，較為涼爽；駕駛員和副駕駛員面部風(fēng)速約為0.2 m/s，符合流場評價指標(biāo)要求駕駛員與副駕駛員鼻部水平截面速度場分布較為均勻，大部分風(fēng)速穩(wěn)定在0.2～0.8 m/s；鼻部風(fēng)速低于0.6 m/s，處于舒適范圍。

圖10 吹面出風(fēng)口流線圖

圖11 S1截面速度

圖12 S2截面速度

圖13 S3截面速度

由圖14～16可知，駕駛員和副駕駛員面部平均空氣齡為30 s左右，空氣流通迅速，空氣新鮮。駕駛員和副駕駛員足部、乘員艙后部空氣齡為30 s左右，空氣流通較快，新鮮程度較高。駕駛員前方和擋風(fēng)玻璃后方存在空氣齡為104 s的區(qū)域，此處空氣滯留時間較長，新鮮程度較低。

圖14 S1截面平均空氣齡

圖15 S2截面平均空氣齡同前

圖16 S3截面平均空氣齡

4.2 主觀評價結(jié)果

試驗結(jié)束時，假人處于較涼爽狀態(tài)，周圍大部分區(qū)域溫度均維持在18～22 ℃范圍內(nèi)。在頂棚與前風(fēng)擋玻璃連接處，仍存在小范圍的高溫區(qū)。假人中間切面溫度分布如圖17所示。

圖17 假人中間切面溫度分布

空調(diào)開啟后，假人體表氣流降溫較快，可迅速降低至35℃左右；由于氣流直吹的原因，在駕駛員右臂內(nèi)側(cè)、副駕駛員兩大臂外側(cè)表面溫度相對更低。假人表面溫度分布如圖18所示。

根據(jù)ISO 14505-2舒適性評價方法的評價結(jié)果見表4。

圖18 假人表面溫度分布

表4 降溫工況結(jié)束假人各部分當(dāng)量溫度

圖19 降溫工況結(jié)束假人表面溫度分布

駕駛員右小臂、駕駛員和副駕駛員面部溫度較低，處于冷的不舒適狀態(tài)。駕駛員胸部由于風(fēng)速較大，即使有衣服覆蓋，溫度也很低，已經(jīng)處于冷的不舒適狀態(tài)。

圖20 降溫工況結(jié)束假人熱舒適性評價

降溫工況結(jié)束后，駕駛員、副駕駛員的大部分區(qū)域處于舒適狀態(tài)；駕駛員、副駕駛員的前胸和面部，以及駕駛員右手、右小臂處于冷的不舒適區(qū)，不舒適部位可以通過調(diào)整出風(fēng)方向得以改善；低速降溫10 min后人體已經(jīng)沒有很熱的不舒適感，隨著降溫的進(jìn)行，整個假人越過不冷不熱的適中狀態(tài)，穩(wěn)定在涼爽的舒適狀態(tài)臨界點。

圖21 降溫工況結(jié)束假人熱舒適性評價

5 仿真與試驗對標(biāo)

整車降溫試驗在福田汽車國家重點實驗室高低溫環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行，試驗工況與仿真工況完全一致。試驗布點位置和試驗現(xiàn)場情況如圖22和圖23所示。仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比情況見表5。由表5可以看出，3個工況下，所有布點位置的平均誤差為2.45℃。

圖22 試驗布點位置

表5 各位置點仿真與試驗結(jié)果對比 單位：℃

圖23 試驗現(xiàn)場情況

5.1 熱浸工況對比

整個熱浸工況中，駕駛員、副駕駛員頭部和足部溫度曲線，仿真與試驗結(jié)果吻合較好，誤差為1.5℃，如圖24所示。

圖24 熱浸工況駕駛員、副駕駛員頭/足溫度對比

5.2 降溫工況對比

副駕駛員頭部、足部位置處的仿真與試驗吻合較好，誤差在1 ℃以內(nèi)；駕駛員頭部、足部位置處的仿真與試驗溫度曲線趨勢一致，仿真值略低，溫差4 ℃左右，如圖25所示。

圖25 低速降溫工況下駕駛員、副駕駛員頭/足溫度對比

5.3 誤差原因分析

在熱浸和低速降溫兩種工況下，仿真與試驗結(jié)果吻合度較高，平均誤差在1～4 ℃左右，符合工程計算的要求，驗證了上述仿真計算模型和邊界條件設(shè)置的合理性和準(zhǔn)確性。

存在誤差的原因分析如下：

（1）仿真分析中，對乘員艙內(nèi)幾何模型進(jìn)行簡化，與試驗中的真實內(nèi)部空間存在較大差異。

（2）仿真分析中，乘員艙為全密封結(jié)構(gòu)，而試驗過程會受到車身氣體泄漏的影響。

（3）仿真分析中選點位置與試驗布點位置存在一定的誤差。

（4）仿真分析中，只定義太陽的高度角和方位角，而試驗中使用35個均布排列的小燈來模擬太陽輻射。

（5）仿真分析中，整車外流場車身表面速度與環(huán)境艙風(fēng)機作用的車體表面速度存在一定的差異。

（6）仿真分析中，部分材料參數(shù)（熱傳遞系數(shù)、發(fā)射率、吸收率等）無法準(zhǔn)確提供，只能依據(jù)經(jīng)驗值。

5.4 乘員主觀感受

駕駛員、副駕駛員身體的大部分區(qū)域處于較涼爽的舒適狀態(tài)，面部和手臂處有強烈的吹風(fēng)感，冷的感覺強烈。這與前面利用ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價的結(jié)果相符。

駕駛員、副駕駛員認(rèn)為M4輕卡車型室內(nèi)降溫迅速，降溫效果很好。

6 結(jié)論

本文選取福田輕卡車型空調(diào)降溫工況為研究對象，利用Theseus-FE與Star-CCM+軟件進(jìn)行乘員艙冷流場與溫度場的聯(lián)合仿真分析，達(dá)到對乘員艙熱舒適性進(jìn)行評價的目的。主要結(jié)論如下：

（1）在熱浸和低速降溫兩種工況下，仿真與試驗結(jié)果吻合度較高，平均誤差為2.45 ℃，驗證了仿真計算模型和邊界條件設(shè)置的合理性和準(zhǔn)確性，符合工程計算的要求。

（2）ISO評價指標(biāo)與試驗時乘員的主觀感受一致，面部、手臂吹風(fēng)感較大，冷感強烈。

（3）當(dāng)前出風(fēng)口位置下，駕駛員、副駕駛員身體絕大部分處于舒適狀態(tài)，面部、手臂等不舒適區(qū)可通過調(diào)節(jié)出風(fēng)口位置和調(diào)小風(fēng)量得到解決。

（4）駕駛員、副駕駛員面部空氣新鮮度好，空氣品質(zhì)高。

（5）本輕卡車型室內(nèi)降溫迅速，降溫效果好。

在商用車乘用化的未來發(fā)展趨勢下，對于卡車類產(chǎn)品的舒適性升級迫在眉睫，充分利用仿真分析的優(yōu)勢對工程設(shè)計提供先期指導(dǎo)，將大大節(jié)省升級周期和費用投入。