熱輻射下汽車溫度分布及隔熱分析

王慶中，王艷

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

隨著汽車保有量快速增長，停車難問題日益突出，很多時候人們不得不將汽車停靠在無遮掩空地。汽車內(nèi)部空間封閉，陽光熱輻射作用下，車內(nèi)溫度迅速升高。據(jù)實(shí)驗(yàn)，夏天在陽光直射下，汽車內(nèi)溫度可達(dá)65 ℃[1]。這種溫度會嚴(yán)重縮短汽車使用壽命，并且車內(nèi)塑料或橡膠制品會釋放出有毒氣體，危害乘車人的身體健康。

汽車行進(jìn)過程中，陽光熱輻射會增加空調(diào)電能消耗，目前常用解決辦法是在汽車前擋風(fēng)玻璃上貼裝一種節(jié)能隔熱膜，它能在不影響玻璃采光的前提下，有效阻隔紫外光，降低紅外光透射率，節(jié)省制冷能源消耗[2]。本文建立了汽車三維模型，在COMSOL 中運(yùn)用表面輻射傳熱模塊對汽車進(jìn)行溫度仿真。共模擬了完全暴露在陽光下、?？吭陉幱疤巸煞N情況下汽車表面溫度的分布。

1 汽車三維建模

汽車結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包含發(fā)動機(jī)、底盤、車身等，如果將這些結(jié)構(gòu)全部建模，不僅會大大增加計算量，而且會導(dǎo)致在軟件進(jìn)行劃分網(wǎng)格時產(chǎn)生錯誤。為了實(shí)現(xiàn)仿真計算，三維建模是忽略了汽車的細(xì)小結(jié)構(gòu)和倒角，將汽車劃分為車身骨架、透光玻璃、底盤、輪胎、座椅、鈑金外殼6 個部分。圖1 是汽車的三維裝配模型。建模并裝配完成后導(dǎo)入到COMSOL 中就可以進(jìn)行仿真運(yùn)算。

圖1 汽車三維模型Fig.1 3D model of the automobile

2 溫度場仿真

2.1 模型定義

對太陽、路面和汽車組成的系統(tǒng)進(jìn)行建模，如圖2 所示。汽車暴露在無遮掩的瀝青路面上。此模型的主要熱源是太陽，在COMSOL 中用“外部輻射源”來計算汽車溫度場[3]。汽車內(nèi)部為封閉腔體，需要考慮內(nèi)部表面漫反射現(xiàn)象[4]，但由于汽車內(nèi)部材料眾多，所以仿真時均設(shè)定為聚乙烯塑料和合成纖維。仿真假象地點(diǎn)設(shè)在中國某一城市，假設(shè)時間為夏天上午11 時，通過城市的經(jīng)度、緯度和時間計算此時太陽位置。在此模型中，太陽初始位置在汽車約70°斜上方，光線穿過汽車前擋風(fēng)玻璃對汽車內(nèi)部進(jìn)行加熱。

圖2 陽光照射下的汽車模型Fig.2 Automobile model in sunlight

2.2 設(shè)定環(huán)境溫度和熱傳導(dǎo)方式

建模過程中，環(huán)境變量和熱傳導(dǎo)方式如下：

（1）假設(shè)瀝青路面0.5 m 以下為恒溫層，恒溫層溫度設(shè)為300.15 K；

（2）由于空氣流動，所有外露表面和空氣之間會有熱交換作用，在本次仿真中，對流熱通量大小設(shè)置為20 W/(m2·K)；

（3）太陽輻照度大小設(shè)為800 W/(m2·K)[1]，起始時，車外空氣溫度設(shè)定為37 ℃，汽車和路面的起始溫度設(shè)定為27 ℃；

（4）瀝青表面對太陽光的表面輻射率設(shè)為0.94，其它輻射的表面輻射率為0.76[5]。

2.3 材料定義

COMSOL 中內(nèi)置有常見材料的屬性，表1 是根據(jù)汽車模型中不同結(jié)構(gòu)所選取的材料。

表1 汽車模型中不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)的材料Tab.1 Materials corresponding to different structures in automobile model

瀝青是一種混合物，根據(jù)混合物的配方不同，瀝青路面物理參數(shù)隨之改變，需查閱相關(guān)資料確定。表2 是某種瀝青路面材料熱物特性參數(shù)[5]。

表2 一種瀝青路面材料熱物特性參數(shù)Tab.2 Thermal property parameters of a kind of asphalt

3 仿真過程及結(jié)果

3.1 無遮掩情況下小車表面溫度仿真

仿真汽車在無遮擋情況下的表面溫度上升情況。小車起始溫度為300.15 K，起始時刻為上午11 時，每5 min 輸出一次結(jié)果，結(jié)束時刻為下午1時。圖3 是小車網(wǎng)格劃分情況，圖4 是汽車在陽光下30 min 后表面溫度圖像。從圖4 可知，汽車表面受到陽光直射的溫度最高，最高值可達(dá)328.94 K（55.79 ℃）。汽車側(cè)面沒有受到陽光直射的區(qū)域溫度比受到直射的地方平均低15～20 ℃。

圖3 汽車網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of the automobile

圖4 陽光下60 min 后汽車表面溫度Fig.4 Surface temperature of the automobile after 60 minutes in the sun

圖5 是汽車表面溫度隨時間變化曲線。由圖5 可知，在開始階段，汽車表面溫度上升較快，之后溫度上升速度逐漸變緩，經(jīng)過120 min 后汽車表面最高溫度達(dá)到最大值55.79℃。

圖5 無遮掩情況下小車表面溫度隨時間變化曲線Fig.5 Curves of surface temperature of automobile with time

3.2 陰影下小車溫度場仿真

在小車的頂部和前方分別建立一個垂直的墻面，墻體厚度為0.3 m，材料為混凝土。汽車?？吭诨炷翂γ娈a(chǎn)生的陰影之中。墻面初始溫度同樣設(shè)為300.15 K，其他條件和無遮掩情況下，小車溫度仿真數(shù)據(jù)相同。起始時刻為上午11 時，每5 min 輸出一次結(jié)果。圖6 是在4 個不同時刻地面、汽車、墻壁系統(tǒng)溫度變化情況。

圖6 有遮掩情況下小車表面在不同時刻的溫度Fig.6 Surface temperature of the automobile in shadow at diffident time

從圖6 中可以看出，當(dāng)汽車處在遮擋物下方時，汽車表面最高溫度上升緩慢，混凝土墻壁外側(cè)受到陽光照射，溫度上升，水泥板內(nèi)側(cè)因?qū)嵝圆缓茫仙^慢。因?yàn)榉抡婺M時間為2 h，地面陰影會隨著太陽的移動而移動。

圖7 為2 種不同條件下汽車表面溫度隨時間變化曲線。由圖可知，在遮擋物下的汽車120 min 的時間內(nèi)表面溫度僅從297 K（27 ℃）上升到303 K（32 ℃），而同樣的時間內(nèi)暴露在陽光下的汽車表面溫度卻會從300 K（27 ℃）上升到331 K（58 ℃）。在這種溫度下，駕乘人員進(jìn)入車輛后會有明顯的不適感，并且需要耗費(fèi)更多的能量才能將車內(nèi)溫度降低下來[6]。實(shí)際生活中使用的擋風(fēng)玻璃隔熱膜和帶有吸盤的隔熱板都是通過阻隔熱量和增加陽光反射來起到降低汽車溫度的作用。

圖7 兩種不同情況下小車表面最高溫度Fig.7 Maximum temperature of the automobiles surfaces under two different conditions

4 總結(jié)

介紹了一種仿真陽光直射下汽車溫度變化的方法，通過導(dǎo)入模型，設(shè)定日照強(qiáng)度，定義材料熱物特性等步驟計算不同表面溫度。利用該模型可計算汽車平均溫度和表面最大溫度值，有助于計算溫度對汽車車漆、內(nèi)飾等帶來的損害。本文對比了暴露在陽光下和在陰影下2 種狀態(tài)汽車溫度的上升情況，仿真結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)象相符，可以用于評估不同材料遮陽板、玻璃膜的防曬性能。