駕駛室熱舒適性仿真與優(yōu)化1)

王 勇 陳振雷 石 凡 劉攀勇 石永康

(寧波大學海運學院,浙江寧波315800)

駕駛室熱舒適性的優(yōu)劣，不僅影響著駕駛員操縱的穩(wěn)定性，也對駕駛員的身體健康有著較為顯著的影響。

在工程機械駕駛室舒適性研究中，采用計算流體動力學等方法量化評估和優(yōu)化駕駛室環(huán)境的舒適性是目前的研究熱點之一。良好的熱舒適性駕駛室環(huán)境，既可以緩解人體疲勞，也可以提高駕駛員的工作效率[1]。1936年，Bedford[2]提出了經(jīng)典的7級標度評價指標，從此奠定了熱舒適性研究的基礎；1970年，F(xiàn)anger[3]教授在結合美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會七級熱感覺指標的基礎上提出了著名的預計平均熱感覺指數(shù)(predicted mean vote,PMV)和預計不滿意率(predicted percentage of dissatisfied,PPD)評價指標，人們對熱舒適性的研究越來越重視。Han[4]利用計算流體動力學仿真的方法研究某類車廂的降溫過程，驗證了仿真技術在駕駛室流場分析中的可行性；Shah等[5]采用計算流體動力學方法，確定了駕駛室空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化的最佳方案。

本文以某工程機械駕駛室為例，對駕駛室熱舒適性進行計算流體動力學仿真模擬，以PMV和PPD為評價指標，利用C語言結合Fluent用戶自定義功能，進行駕駛室環(huán)境內(nèi)各位置PMV值與PPD值的計算分析，探究了送風方式、送風風速和送風溫度等因素對駕駛室環(huán)境熱舒適性的影響，以尋找改善駕駛室熱舒適性的最佳優(yōu)化方案。

1 仿真分析方法

1.1 數(shù)學模型

對駕駛室環(huán)境空氣的流動與傳熱過程進行仿真模擬，可通過以下方程描述：

(1)連續(xù)性方程

式中，ρ為流體密度，t為時間；U=u i+v j+w k，u，v，w表示流速在x，y，z坐標方向的分量。

(2)動量方程

式中，μ為流體動力黏度，SMx為流體源，p為壓力。

(3)能量方程

式中，λ為導熱系數(shù)，Φ為耗散函數(shù)，T為溫度，S i為體熱源的源項。

1.2 仿真模型

圖1所示為駕駛室的仿真模型和實際布局。駕駛室由鋼結構板材制成，前部、兩側車門及駕駛室背部布有玻璃，駕駛室內(nèi)設有操作臺、座椅與風扇。

圖1 駕駛室仿真模型和實際布局圖

圖2為駕駛室風扇仿真模型圖，風扇扇葉半徑約為200 mm，風扇輪轂半徑為32 mm，扇葉數(shù)量為3，轉速為800 r/min。

圖2 駕駛室風扇仿真模型

1.3 網(wǎng)格模型

在流固耦合模型中將整個駕駛室模型分為三個部分，分別是駕駛室內(nèi)的流體域、固體域和風扇內(nèi)的流體域。采用四面體網(wǎng)格來劃分駕駛室整機的固體域和流體域，網(wǎng)格大小為20 mm，整個模型的網(wǎng)格總數(shù)量為165萬，風扇模型的網(wǎng)格數(shù)量為53萬。圖3和圖4分別是駕駛室整體的網(wǎng)格模型圖和風扇的網(wǎng)格模型圖。

圖3 駕駛室整體網(wǎng)格模型圖

圖4 風扇網(wǎng)格模型

1.4 邊界條件

(1)太陽輻射模擬參數(shù)：太陽輻射熱量為1000 W/m2，漫射熱量為200 W/m2。

(2)駕駛室內(nèi)的空氣流動采用k?ε湍流模型。

(3)鋼材的材料屬性在Fluent材料數(shù)據(jù)庫中直接選取，壁面定義為熱對流邊界，熱對流換熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗值取10 W/(m2·K)，通過實驗可以得到各壁面的溫度及厚度為：

頂板：壁面空氣溫度為37°C，壁面厚度為2 mm；

底板：壁面空氣溫度為32°C，壁面厚度為3 mm；

背板：壁面空氣溫度為36°C，壁面厚度為1.5 mm；

側板：壁面空氣溫度為37°C，壁面厚度為1.5 mm。

(4)玻璃壁面參數(shù)：密度為2500 kg/m3、比熱容Cp=750 J/(kg·K)、熱傳導率為1.4 W/(m·K)。壁面邊界定義為熱對流邊界，玻璃壁面的熱對流換熱系數(shù)依據(jù)經(jīng)驗值取為6.4 W/(m2·K)，通過試驗得到：前側和兩側玻璃壁面空氣溫度為37°C，厚度為5 mm，后側玻璃壁面空氣溫度為36°C，厚度為5 mm。

2 熱舒適性評價分析

2.1 熱舒適性評價指標

駕駛室熱舒適性評價指標是在民用建筑室內(nèi)熱舒適性評價指標的基礎上發(fā)展而來，PMV–PPD評價指標是其中較為常用的評價體系。

PMV取值范圍為?3～3，PMV為0時意味著熱環(huán)境熱舒適為最佳狀態(tài)；PMV值越大，人體感覺越熱，越小則越冷。

PPD取值范圍為5%～100%，取值越小表示熱舒適性越適宜，表1所示為PMV和PPD與熱感覺的對應關系。PPD的計算公式為

表1 PM V和PPD與熱感覺的對應關系

2.2 駕駛室熱舒適性分析

在完成對駕駛室的計算流體動力學流場仿真后，本文利用C語言并結合Fluent用戶自定義功能，編制了相應的用戶自定義函數(shù)(user defined function,UDF)，圖5為對應UDF的流程。據(jù)此可以進行駕駛室環(huán)境內(nèi)各位置PMV值與PPD值計算，實現(xiàn)對駕駛室環(huán)境的熱舒適性量化分析。

圖5 UDF程序流程圖

圖6為駕駛室環(huán)境PMV與PPD分布情況，表2為人體各部位PMV和PPD值。由圖6(a)和表2可見，駕駛室整體PMV值較高，人體周圍PMV值均在2.8以上，人體熱感覺較熱；由圖6(b)和表2可見，駕駛室環(huán)境90%以上的區(qū)域PPD值超過95%，人體周圍PPD值較高，人體熱感覺不滿意率較高。綜上可知，當前駕駛室環(huán)境的熱舒適性較差，可見僅依靠風扇旋轉改善熱舒適性的效果不佳。

圖6 駕駛室環(huán)境PMV和PPD分布圖

3 優(yōu)化分析

本文結合其他類型車輛駕駛室的設計[6]，采用優(yōu)化通風方式的措施，改善駕駛室熱舒適性；并探究送風方式、送風風速和送風溫度對駕駛室環(huán)境熱舒適性的影響，以確定駕駛室熱舒適性優(yōu)化的最佳方案。

3.1 送風方式對駕駛室熱舒適性的影響

結合其他車輛駕駛室的研究，提出2種送風方式，即前部送風和頂部送風[7]，并建立駕駛室前部送風布局和駕駛室頂部送風駕布局方案；探究2種送風方式對駕駛室環(huán)境熱舒適性的影響，選擇最適合該駕駛室的送風方式[8]。

3.1.1 駕駛室送風布局

圖7所示為駕駛室前部送風與頂部送風的布局方案。前部送風和頂部送風分別在操作臺上和駕駛室頂部布置了5個送風口，兩種布局的出風口均位于駕駛室后側。

兩種送風布局口的具體尺寸如下：

前部送風：送風口90 mm×40 mm(A型)、40 mm×40 mm(B型)、140 mm×70 mm(C型)，出風口為12 mm×100 mm；

頂部送風：送風口為80 mm×66 mm，出風口為12 mm×100 mm。

3.1.2 邊界條件

以原駕駛室熱舒適性仿真分析的邊界條件為基礎，對2種送風方式的駕駛室布局進行仿真分析，根據(jù)駕駛室實際工作的環(huán)境，經(jīng)過試驗測得送風速度、送風溫度、風扇轉速等邊界條件：

前部送風：送風風速為2 m/s，送風溫度為22°C；

頂部送風：送風風速為2 m/s，送風溫度為22°C；

出口均設置為自由出口，風扇轉速為800 r/min。

3.1.3 仿真分析

通過UDF程序得到如圖8所示的兩種送風方式下駕駛室環(huán)境PMV的分布圖。在前部送風狀態(tài)下，人體熱舒適性敏感度最高的面部區(qū)域附近PMV值均在0～1范圍內(nèi)，較優(yōu)于頂部送風狀態(tài)，但前部送風狀態(tài)下的駕駛室環(huán)境PMV值分布較雜亂，且人體活動較為密切的操作臺附近區(qū)域PMV值為?1～?2，人體熱感覺略感寒冷；在頂部送風狀態(tài)下，駕駛室PMV值分布均勻，且70%區(qū)域的PMV值在0～1.5之間，人體周圍PMV值在1左右，人體熱感覺較暖。

圖8 前部送風和頂部送風駕駛室PMV分布情況

圖9為前部送風和頂部送風狀態(tài)下駕駛室環(huán)境PPD的分布圖。前部送風狀態(tài)下，人體面部附近PPD值較優(yōu)，但操作臺附近、人體軀干及腿部等駕駛室前下部區(qū)域PPD值較高；在頂部送風狀態(tài)下，駕駛室環(huán)境90%區(qū)域的PPD值在0～25%之間，人體熱感覺不滿意率較低。

圖9 前部送風和頂部送風駕駛室PPD分布情況

圖10為人體各部位PMV值和PPD值，由圖10可見，前部送風的通風方式對人體面部的影響較大，但腿部、腹部及駕駛室整體的PMV值與PPD值較高，且人體各部位PMV與PPD數(shù)值大小不均勻；頂部送風方式狀態(tài)下，面部的人體熱感覺為稍暖狀態(tài)，較高于前部送風狀態(tài)，身體各部PMV與PPD數(shù)值大小分布較為均勻。此外，與原駕駛室熱環(huán)境下對比，優(yōu)化后的駕駛室熱舒適性得到較大改善。

圖10 人體各部位PMV值和PPD值(續(xù))

圖10 人體各部位PMV值和PPD值

綜上所述，通過改變通風方式對駕駛室環(huán)境進行熱舒適性優(yōu)化，取得了顯著效果。在改善面部的熱舒適性方面，頂部送風較劣于前部送風，但頂部送風對駕駛室熱環(huán)境改善效果突出，且熱舒適性分布均勻。同時，考慮到送風口布置的便捷性和人體操作的方便性，建議駕駛室采用頂部送風方式。

3.2 送風溫度對駕駛室熱舒適性的影響

以頂部送風駕駛室為仿真模型，已建立的仿真流程為基礎，探究送風溫度對駕駛室環(huán)境熱舒適性的影響，達到通過改變溫度來實現(xiàn)駕駛室熱舒適性的最優(yōu)化[9]。

(1)工況設置

根據(jù)已建立的仿真邊界條件，除送風溫度外，其他邊界條件均保持不變，設立4組仿真工況，如表3所示。

表3 送風溫度對熱舒適性的影響

(2)仿真分析

表4為不同工況下人體各部位及駕駛室整體不同工況下的PMV值，圖11為人體各部位及駕駛室整體PMV值隨送風溫度變化的曲線圖。由表4和圖11可知，隨著送風溫度的降低，人體各部位和駕駛室整體的PMV值不斷減小，即人體熱感覺由熱變冷。在送風溫度為16°C左右時，人體各部位的PMV均接近為0，即人體熱感覺為最舒適狀態(tài)[10]。

表4 人體各部位及駕駛室整體的PM V值

圖11 人體各部位及駕駛室整體PMV值隨送風溫度變化情況

表5為不同工況下人體各部位及駕駛室整體不同工況下的PPD值，圖12為人體各部位及駕駛室整體PPD值隨送風溫度變化的曲線圖。由表5和圖12可知，隨著送風風速的提高，人體各部位和駕駛室整體的PPD呈先減小再增大的變化趨勢。在送風溫度為16°C左右時，PPD存在最小值，即人體熱感覺不滿意率最低，駕駛室環(huán)境熱舒適性達到最優(yōu)狀態(tài)[11]。

圖12 人體各部位及駕駛室整體PPD值隨送風溫度變化情況

表5 人體各部位及駕駛室整體的PPD值

綜上所述，送風溫度對駕駛室熱舒適性的影響規(guī)律為：送風溫度開始降低時，駕駛室熱舒適性逐漸變優(yōu)；當達到最優(yōu)狀態(tài)后繼續(xù)降低送風溫度，熱舒適性會逐漸變差。

4 結論

本文以某工程機械駕駛室為例，采用仿真模擬的方法，以PMV和PPD為評價指標，計算分析了駕駛室夏季熱舒適性，并探究了送風方式、送風風速和送風溫度對駕駛室熱舒適性的影響，實現(xiàn)了對駕駛室環(huán)境熱舒適性的量化分析與優(yōu)化。通過對駕駛室熱舒適性的仿真計算，結論如下：

(1)相較于前部送風方式，頂部送風方式不僅可以較好地改善駕駛室環(huán)境的熱舒適性，且可以保證人體各部位及駕駛室整體熱舒適感覺的分布均勻。

(2)送風溫度開始降低時，駕駛室熱舒適性逐漸變優(yōu)；當達到最優(yōu)狀態(tài)后繼續(xù)降低送風溫度，熱舒適性會逐漸變差；此外，相較于送風風速對駕駛室熱舒適性的影響，送風溫度對駕駛室熱舒適性的影響更為顯著。