基于自定義場(chǎng)函數(shù)的乘員艙熱舒適性仿真研究

呂鴻斌，劉啟媛，施駿業(yè)，陳江平

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

我國(guó)南方地區(qū)夏季非常炎熱，絕大多數(shù)地方最高溫度超過(guò)35 ℃，部分城市甚至超過(guò)40 ℃。由于乘員艙內(nèi)空間狹小且相對(duì)封閉，車(chē)內(nèi)的溫度快速升高，溫度場(chǎng)不均勻性增大。普通的開(kāi)窗通風(fēng)降溫不能滿(mǎn)足熱舒適性的要求，需要關(guān)閉車(chē)窗開(kāi)啟空調(diào)降溫。如果空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不好，使送風(fēng)溫度和風(fēng)量較小，車(chē)內(nèi)的流場(chǎng)組織分布不合理，空氣新鮮度不足，不僅不能給乘客帶來(lái)舒適的體驗(yàn)，而且駕駛員長(zhǎng)期處于此環(huán)境下，容易導(dǎo)致疲勞困乏、注意力不集中等問(wèn)題，從而大大增加了發(fā)生交通事故的概率。

隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始利用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）對(duì)轎車(chē)乘員艙的熱舒適性進(jìn)行研究，如江濤等[1]研究了不同太陽(yáng)高度角對(duì)乘員艙熱舒適性的影響。文獻(xiàn)[2-5]側(cè)重于修改風(fēng)道的參數(shù)來(lái)增加空調(diào)送風(fēng)量，并指明汽車(chē)風(fēng)道的設(shè)計(jì)水平直接影響車(chē)內(nèi)的氣流組織的合理性，對(duì)提高乘員艙熱舒適性有重要的意義。文獻(xiàn)[6]側(cè)重于空調(diào)送風(fēng)格柵和熱環(huán)境維度的優(yōu)化來(lái)改進(jìn)乘員熱舒適性。

王靖宇等[12]研究了基于空調(diào)送風(fēng)參數(shù)對(duì)于車(chē)室內(nèi)流場(chǎng)的影響，但是側(cè)重于常溫環(huán)境下利用整體熱舒適性偏差和冷負(fù)荷作為熱舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，缺少對(duì)酷熱環(huán)境下的分析和空氣新鮮度的評(píng)價(jià)。張炳力等[13]雖然針對(duì)衡量熱舒適感的綜合預(yù)測(cè)平均反應(yīng)（Predicted Mean Vote，PMV）和預(yù)測(cè)不滿(mǎn)意百分?jǐn)?shù)（Predicted Percentage Dissatisfied，PPD）兩指標(biāo)的綜合應(yīng)用指標(biāo)（PMV-PPD）和空氣齡指標(biāo)分析了乘員艙熱舒適性，但是PMV-PPD 沒(méi)有進(jìn)行加權(quán)平均，不適合應(yīng)用在乘員艙中非均勻的熱環(huán)境。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，側(cè)重于汽車(chē)在夏季環(huán)境溫度超40 ℃條件下，以整體熱感覺(jué)偏差和空氣齡為指標(biāo)，基于Star-CCM+自定義整體熱感覺(jué)偏差（All Equivalent of Temperature，AEQT）場(chǎng)函數(shù)和平均空氣齡場(chǎng)函數(shù)，分析不同送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)溫度下乘員艙的熱舒適性，減少駕駛員和乘員在酷熱條件下的乏困感，對(duì)汽車(chē)空調(diào)的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)意義。

1 CFD模型及邊界條件

1.1 三維建模

使用三維建模軟件CATIA 對(duì)乘員艙進(jìn)行建模，部件包括車(chē)體、座椅、儀表盤(pán)、風(fēng)道、車(chē)窗、車(chē)門(mén)和假人等。將模型導(dǎo)入到Star-CCM+中，經(jīng)過(guò)修復(fù)、簡(jiǎn)化和防接觸的處理后，使用包面的功能將乘員艙的內(nèi)表面進(jìn)行提取，如圖1所示。

圖1 包面后的乘員艙三維模型

將車(chē)頂隱藏后，可以清楚看到乘員艙內(nèi)部的結(jié)構(gòu)：前排安排兩名乘客分別為駕駛員和副駕駛員，儀表盤(pán)左、左中、右中和右4 個(gè)送風(fēng)口，副駕駛的腳部處開(kāi)有排氣口，如圖2所示。

圖2 模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)格劃分

整個(gè)計(jì)算模型采用了Star-CCM+中的多面體網(wǎng)格模型，為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，在風(fēng)道的格柵、假人的各個(gè)部位等多處進(jìn)行了網(wǎng)格加密，并設(shè)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

1.3 邊界條件的設(shè)定

為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，空間離散方式采用二階迎風(fēng)差分格式。流場(chǎng)計(jì)算方式使用k-ε湍流模型和SIMPLE 算法。為保證從風(fēng)道出來(lái)的風(fēng)量等分，入口采用壓力進(jìn)口。其余的邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件表

2 熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)及場(chǎng)函數(shù)編寫(xiě)

2.1 整體熱感覺(jué)偏差A(yù)EQT

在一個(gè)相對(duì)濕度為50%、內(nèi)部氣流均勻且空氣溫度等于輻射溫度的封閉環(huán)境中，調(diào)整環(huán)境溫度使暖體假人身體的某一部位的散熱量等于該部位在真實(shí)非均勻環(huán)境中的散熱量，環(huán)境溫度被定義為該部位在真實(shí)環(huán)境中的當(dāng)量溫度[14]，適用于評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)、非均勻的乘員艙環(huán)境中乘員節(jié)段的熱舒適性，定義式：

式中，Ts,i為人體i節(jié)段皮膚表面溫度，K；Vair,i為相對(duì)人體i節(jié)段周?chē)諝馑俣?，m/s；Ta,i為人體i節(jié)段周?chē)諝鉁囟?，K；Qsol,i為人體i節(jié)段皮膚收到的太陽(yáng)輻射，W；fi,n為人體i節(jié)段對(duì)部件表面的角系數(shù)，K；Si為人體i節(jié)段表面面積，m2；σ為斯蒂芬·玻爾茲曼常數(shù)，取5.67×10-8W/(m2·K4)；εi為人體i節(jié)段的發(fā)射率，一般取0.97；hcal,i為人體i節(jié)段對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，一般取8.7 W/(m2·K)。

整體熱感覺(jué)偏差A(yù)EQT[16]是用于表征環(huán)境舒適性最佳值之間的偏差程度，即各節(jié)段當(dāng)量溫度與理想值偏差之間的綜合偏差結(jié)果，范圍為[-1,1]，大于0 表示當(dāng)量溫度正處于舒適性區(qū)間內(nèi)，小于0 則處于不舒適區(qū)間內(nèi)。其公式如下：

式中，ωi為人體i節(jié)段面積和熱敏感度權(quán)重因子；tmax,i為人體i節(jié)段舒適溫度上限，K；tmin,i為人體i節(jié)段舒適溫度下限，K。

由于在Star-CCM+中沒(méi)有現(xiàn)成的當(dāng)量溫度和整體熱感覺(jué)偏差的場(chǎng)函數(shù)，所以本文采用手動(dòng)定義相關(guān)場(chǎng)函數(shù)。值得注意的是，雖然有文獻(xiàn)指出人體i節(jié)段皮膚表面溫度不能通過(guò)簡(jiǎn)單的CFD 模型計(jì)算得到，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者復(fù)雜的人體多節(jié)段數(shù)值模型，計(jì)算人體生物熱方程得到[15]，而在使用中一般采用固定值。但是在Star-CCM+中的熱舒適性模塊中可以通過(guò)人體生物熱方程計(jì)算人體表面溫度，為了使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，本文采用Star-CCM+中熱舒適性模塊計(jì)算的人體表面溫度作為人體i節(jié)段皮膚表面溫度。人體局部特征如表2所示。

表2 人體局部特征

2.2 平均空氣齡

平均空氣齡（Mean Age of Air，MAA），最早由SANDBERG[17]在20世紀(jì)80年代提出用來(lái)綜合衡量室內(nèi)通風(fēng)換氣效果和空氣品質(zhì)的指標(biāo)，指的是空氣由進(jìn)氣口到達(dá)室內(nèi)某一位置的移動(dòng)時(shí)間，反映了空氣的新鮮程度。封閉空間中的某一點(diǎn)的空氣是由不同空氣齡τ的空氣組成，設(shè)某空氣齡的概率分布為f(τ)，則某一點(diǎn)的空氣齡平均值τp的計(jì)算公式如下：

越小的空氣齡代表該處的空氣越新鮮，空氣品質(zhì)越好。

在Star CCM+中，空氣齡函數(shù)需要提前選擇“Passive Scalar”物理模型，屬性欄中勾選被動(dòng)標(biāo)量源，Scalar Function 選擇Density。然后手動(dòng)創(chuàng)建新 的 場(chǎng) 函 數(shù)，“ Dimensions” 選 擇 Time=1 ，“Definition”選擇$PassiveScalar。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 乘員艙內(nèi)氣流組織分析

如圖4所示，氣流進(jìn)入風(fēng)道經(jīng)過(guò)分流后分別從4 個(gè)送風(fēng)口沿著格柵引導(dǎo)的方向流出。此時(shí)氣流分成兩部分，一部分流向乘客的臉部、胸部和軀干，并在車(chē)頂?shù)淖饔孟滦纬尚》秶匿鰷u氣流W2 對(duì)前排乘客進(jìn)行降溫。但是如果前排乘客臉部附近的流速過(guò)大，盡管降溫效果顯著，也會(huì)給乘客帶來(lái)不舒適的吹風(fēng)感。另一部分氣流則沿著車(chē)頂，經(jīng)過(guò)后排座位和后備箱，并從后排座位底部回流到前排乘客的小腿和腳部，氣流速度逐漸減小。

圖4 乘員艙對(duì)稱(chēng)截面氣流組織

結(jié)合國(guó)內(nèi)外舒適性相關(guān)研究和我國(guó)國(guó)民溫度感覺(jué)的習(xí)慣，夏季將車(chē)內(nèi)平均氣流控制在0.5 m/s左右人體感覺(jué)最好[18-19]。過(guò)高的吹面風(fēng)速容易引起乘員的不舒適感。

截取駕駛員中央截面的速度場(chǎng)進(jìn)行分析，如圖5所示，當(dāng)送風(fēng)風(fēng)量的增加，乘員艙內(nèi)各點(diǎn)的速度增加。當(dāng)送風(fēng)風(fēng)量Q=350 m3/h 時(shí)，吹面風(fēng)速v=0.57 m/s，而送風(fēng)風(fēng)量Q=420 m3/h 時(shí)，吹面風(fēng)速v>0.7 m/s，此時(shí)乘客感受到的吹風(fēng)感強(qiáng)烈。

圖5 乘員艙速度場(chǎng)

3.2 車(chē)室熱舒適性分析

3.2.1 整體熱感覺(jué)偏差A(yù)EQT 分析

表3所示為乘客整體熱感覺(jué)偏差值，圖6所示為不同送風(fēng)風(fēng)量和溫度乘客各部位溫度。由表3和圖6可知，在350 m3/h 風(fēng)量下，隨著送風(fēng)溫度T的降低，乘客皮膚表面溫度隨之降低，整體熱感覺(jué)偏差值提高了0.281～0.464。而當(dāng)送風(fēng)溫度在低于9.5 ℃時(shí)，乘客平均整體熱感覺(jué)偏差值大于0，說(shuō)明在極端炎熱夏季，室外溫度超過(guò)40 ℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1,000 W/m2，轎車(chē)350 m3/h 送風(fēng)風(fēng)量下，要求送風(fēng)溫度低于9.6 ℃，乘客才會(huì)感到舒適。

表3 乘客整體熱感覺(jué)偏差值

在送風(fēng)溫度相同時(shí)，當(dāng)送風(fēng)風(fēng)量從175 m3/h 提高到350 m3/h 和420 m3/h，乘員表面皮膚溫度得到明顯的降低，乘客整體熱感覺(jué)偏差值的平均值提高了0.425 和0.618。相比送風(fēng)溫度，送風(fēng)風(fēng)量對(duì)于乘客整體熱感覺(jué)偏差值提高的效果更為顯著。

根據(jù)CRAWSHAW 等[20]人體局部熱感覺(jué)權(quán)重因子理論，依次選取熱感覺(jué)權(quán)重因子最大的4 個(gè)部位（軀干、頭、大腿和上臂）進(jìn)行比較，結(jié)合整體熱感覺(jué)偏差的定義，分析駕駛員和副駕駛員整體熱感覺(jué)偏差產(chǎn)生差異的原因，如表4所示。軀干的熱感覺(jué)權(quán)重因子最大，雖然副駕駛員的軀干當(dāng)量溫度比駕駛員和舒適區(qū)間平均溫度d都要大，但是只相差-2.5～0.9 ℃。而副駕駛員的頭部、大腿和上臂都比駕駛員要低-0.4～3.2 ℃，且更加接近各部位舒適區(qū)間平均當(dāng)量溫度。結(jié)合圖6，發(fā)現(xiàn)在相同的條件下，副駕駛員皮膚表面溫度都稍微比駕駛員低。所以，副駕駛員整體熱感覺(jué)偏差評(píng)價(jià)要比駕駛員高，同時(shí)也說(shuō)明，在轎車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)中，可以把乘客的頭部、上臂、大腿和上臂等部位的快速降溫作為提高乘員熱舒適性?xún)?yōu)先考慮的條件。

圖6 不同送風(fēng)風(fēng)量和溫度乘客各部位溫度

表4 乘客主要身體部位當(dāng)量溫度

3.2.2 平均空氣齡分析

如圖7所示，在Star-CCM+中編寫(xiě)函數(shù)并進(jìn)行計(jì)算，選取駕駛員對(duì)稱(chēng)截面為分析對(duì)象得到乘員艙內(nèi)平均空氣齡的分布。隨著送風(fēng)風(fēng)量從175 m3/h 增加到420 m3/h，乘員艙整體的空氣齡得到明顯減小，說(shuō)明送風(fēng)量增大有利于減少空氣駐留的時(shí)間，提升空氣的新鮮度和品質(zhì)。當(dāng)風(fēng)量相同時(shí)，不同的送風(fēng)溫度對(duì)乘員艙內(nèi)空氣齡分布影響不大。350 m3/h 送風(fēng)風(fēng)量下乘客頭部周?chē)目諝恺g范圍是20～25 s，腿部及腳部以下空氣齡為26～40 s，車(chē)背儲(chǔ)物室與后座椅背部之間形成的相對(duì)封閉的小腔室，空氣比較難到達(dá)，空氣齡超過(guò)50 s。

圖7 乘員艙空氣齡

分析乘員艙流場(chǎng)和空氣齡的關(guān)系，如圖8所示，在其他條件相同時(shí)，乘員頭部附近空氣齡與送風(fēng)風(fēng)量成反比。當(dāng)送風(fēng)風(fēng)量從175 m3/h 提高到420 m3/h時(shí)，乘員的頭部附近空氣齡減少了41.7%。而乘員吹面風(fēng)速與送風(fēng)風(fēng)量成正比。當(dāng)送風(fēng)風(fēng)量從175 m3/h 提高到420 m3/h 時(shí)，乘員吹面風(fēng)速分別增加了75.5%，最大達(dá)到0.74 m/s，超過(guò)0.5 m/s 的最大舒適吹臉風(fēng)速。過(guò)高的吹面風(fēng)速容易引起乘員臉部的強(qiáng)烈吹風(fēng)感而感到不適。但是在酷熱環(huán)境下，短時(shí)間內(nèi)大風(fēng)量可以換來(lái)乘客和乘員艙的快速降溫，可以接受。

圖8 乘客吹臉風(fēng)速與空氣齡

4 結(jié)論

以某車(chē)型為對(duì)象，本文通過(guò)考慮太陽(yáng)輻射情況下，基于Star-CCM+自定義整體熱感覺(jué)偏差A(yù)EQT場(chǎng)函數(shù)和平均空氣齡場(chǎng)函數(shù)，分析不同送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)溫度下乘員艙的熱舒適性，得出如下結(jié)論：

1）在350 m3/h 風(fēng)量下，隨著送風(fēng)溫度的降低，乘客整體熱感覺(jué)偏差值提高了0.281～0.464。在送風(fēng)溫度相同時(shí)，當(dāng)送風(fēng)風(fēng)量從 175 m3/h 提高到420 m3/h，乘客整體熱感覺(jué)偏差值的平均值提高了0.425～0.618；說(shuō)明隨著送風(fēng)溫度或送風(fēng)風(fēng)量的提高，乘員身體各部位的平均溫度趨向于熱舒適溫度范圍；

2）送風(fēng)溫度降低大約可以提高乘客整體熱感覺(jué)偏差值0.281～0.464，送風(fēng)風(fēng)量的提高可以提高乘客整體熱感覺(jué)偏差值0.425～0.618。相比送風(fēng)溫度，送風(fēng)風(fēng)量對(duì)于乘客整體熱感覺(jué)偏差值提高的效果更為顯著；

3）在其他條件不變時(shí)，送風(fēng)溫度對(duì)乘員艙內(nèi)空氣齡分布影響不大，當(dāng)送風(fēng)風(fēng)量從175 m3/h 提高到420 m3/h 時(shí)，乘員的頭部附近空氣齡減少了41.7%，意味著在一定范圍內(nèi)增大送風(fēng)風(fēng)量有利于減少乘員艙內(nèi)空氣駐留的時(shí)間，提升空氣的新鮮度和品質(zhì)；

4）在夏季酷熱條件下，早期可以適當(dāng)過(guò)度地提高送風(fēng)風(fēng)量，換取乘員艙和乘員身體各部位的快速降溫，但當(dāng)送風(fēng)風(fēng)量從175 m3/h 提高到420 m3/h時(shí)，乘員吹面風(fēng)速最大達(dá)到0.74 m/s，強(qiáng)烈的吹風(fēng)感使得大送風(fēng)風(fēng)量不宜長(zhǎng)時(shí)間使用，避免給乘員帶來(lái)不舒適感。