裝載機(jī)駕駛室內(nèi)部流場(chǎng)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

張 彬，張喜清

(1.龍工(上海)機(jī)械制造有限公司，上海 201600；2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)裝載機(jī)產(chǎn)品的要求不斷提高，在保證作業(yè)的同時(shí)，還要為司機(jī)提供舒適的環(huán)境。因此，對(duì)裝載機(jī)駕駛室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行研究，不僅能提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性，還能夠提高駕駛員工作效率。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，取得了一定的成果。Kaynakli等[1]模擬制熱和制冷兩種工況下汽車駕駛室流場(chǎng)，對(duì)人體感知冷暖進(jìn)行劃分；Kilic等[2]利用實(shí)驗(yàn)，在人體上選取11個(gè)不同點(diǎn)，測(cè)試各點(diǎn)溫度和風(fēng)速，采用熱舒適性評(píng)價(jià)的不均勻系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)；楊娟[3]基于理論對(duì)空調(diào)轎車的室內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬并分析多種典型工況下的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)；谷正氣等[4]利用流體計(jì)算軟件FLUENT對(duì)轎車空調(diào)管道進(jìn)行計(jì)算，并提出在管道內(nèi)通過(guò)添加導(dǎo)流片實(shí)現(xiàn)送風(fēng)口風(fēng)量?jī)?yōu)化分配來(lái)提高乘員的熱舒適性;陸斯媛[5]運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)汽車駕駛室內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，檢測(cè)駕駛室送風(fēng)口和司機(jī)頭部降溫情況。

本文以某型裝載機(jī)駕駛室為研究對(duì)象，利用CFD對(duì)駕駛室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出駕駛室內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布情況，并通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證所建三維模型的準(zhǔn)確性。

1 理論方程

流體流動(dòng)受物理守恒定律的支配，遵守的基本定律有質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒，這些守恒定律用控制方程來(lái)描述。

1.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程，連續(xù)性方程的微分形式如下：

(1)

其中：ρ為密度；t為時(shí)間；ux、uy、uz分別為x、y、z三個(gè)方向的速度分量。

1.2 動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒的本質(zhì)是牛頓第二定律，依據(jù)牛頓第二定律，能夠?qū)С鰔、y、z三個(gè)方向的動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

其中：u為速度矢量；p為微元體上的壓力；τxx、τxy和τxz分別是因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力的分量,分別表示微元體表面x、y、z三個(gè)方向的應(yīng)力張量；fx、fy、fz均為微元體受到的體積力。

1.3 能量守恒方程

能量守恒方程實(shí)際上是熱力學(xué)第一定律，依據(jù)能量守恒定律，推導(dǎo)流體力學(xué)能量方程：

(5)

2 模型建立

利用CATIA建立駕駛室三維模型，并簡(jiǎn)化模型，然后抽取駕駛室流體域模型，設(shè)置流體域邊界條件，對(duì)駕駛室溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)數(shù)值模擬進(jìn)行求解設(shè)置。

2.1 模型簡(jiǎn)化

裝載機(jī)駕駛室內(nèi)部片碎化的零部件很多，空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，會(huì)影響駕駛室的流場(chǎng)研究[6]。因此簡(jiǎn)化對(duì)駕駛室內(nèi)空氣流動(dòng)和熱傳遞影響較小的部分，得到簡(jiǎn)化模型，具體做如下簡(jiǎn)化：

(1)駕駛室外表面凹凸不平的結(jié)構(gòu)，如前大燈，外置鼓風(fēng)系統(tǒng)及頂部插銷等結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為平面。

(2)空調(diào)風(fēng)道部分簡(jiǎn)化只保留送風(fēng)口尺寸，保留送風(fēng)口有效面積，將回風(fēng)柵欄簡(jiǎn)化為平面，以保證駕駛室的進(jìn)排氣量。

(3)駕駛室室內(nèi)部件，包括內(nèi)部操縱機(jī)構(gòu)、飾板、儲(chǔ)物盒、地板等凸起的零部件，在簡(jiǎn)化中給予忽略。

(4)駕駛室內(nèi)表面凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，可簡(jiǎn)化為平面，玻璃傳熱對(duì)駕駛室影響較大，保留駕駛室各部分的玻璃尺寸。

用簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，可大大提高計(jì)算效率。駕駛室模型如圖1所示，簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖1 駕駛室模型 圖2 駕駛室簡(jiǎn)化模型 圖3 駕駛室抽取模型 圖4 駕駛室模型網(wǎng)格剖分

2.2 模型抽取

對(duì)簡(jiǎn)化模型抽取流體域，抽取模型如圖3所示?？紤]空調(diào)除霜口一般不用，可視為關(guān)閉狀態(tài)。風(fēng)量經(jīng)風(fēng)道從送風(fēng)口流入駕駛室，內(nèi)循環(huán)后從駕駛室右側(cè)回風(fēng)口流出。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分對(duì)數(shù)值模擬和結(jié)果比較重要，盡可能讓網(wǎng)格方向和流動(dòng)方向一致，增加求解的收斂性和穩(wěn)定性，減少偽擴(kuò)散。為模擬駕駛室室內(nèi)流場(chǎng)，對(duì)流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸為30 mm，采用四面體自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格生成如圖4所示。

2.4 邊界條件

根據(jù)湍流模型，在FLUENT求解器中設(shè)置參數(shù)，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壁面函數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，分析駕駛室內(nèi)流場(chǎng)對(duì)司機(jī)的影響[7]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，調(diào)節(jié)駕駛室空調(diào)擋位為低擋，待發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱15 min，空調(diào)送風(fēng)口達(dá)到穩(wěn)定后，利用熱敏風(fēng)速儀測(cè)試送風(fēng)口溫度和風(fēng)速，將實(shí)測(cè)結(jié)果作為仿真模擬的初始值和邊界條件。送風(fēng)口1、2、3和4的溫度分別為46.4 ℃、45.7 ℃、46.10 ℃和46.74 ℃，風(fēng)速分別為14.78 m/s、12.54 m/s、12.94 m/s和12.18 m/s；回風(fēng)口為壓力出口，壓力為零。

3 駕駛室內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬

駕駛室內(nèi)部氣體流速比較低，一般不大于50 m/s，假定駕駛室內(nèi)空氣為不可壓縮氣體，且駕駛室密閉無(wú)泄漏，只有送風(fēng)口和回風(fēng)口進(jìn)行氣體交換。為準(zhǔn)確得到司機(jī)室內(nèi)溫度和空氣流速的分布，按照GB/T13877.2-2003規(guī)定選取司機(jī)周圍附近的測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。7個(gè)點(diǎn)在人體附近，通過(guò)測(cè)試各點(diǎn)溫度和風(fēng)速大小來(lái)反映裝載機(jī)駕駛室內(nèi)流場(chǎng)的情況。

圖5 測(cè)點(diǎn)位置

3.1 制熱溫度場(chǎng)模擬

裝載機(jī)駕駛室溫度場(chǎng)為復(fù)雜的湍流問(wèn)題，對(duì)測(cè)點(diǎn)的仿真結(jié)果分析時(shí)，要選擇典型的面來(lái)反映整個(gè)駕駛室內(nèi)部溫度分布，駕駛員周圍溫度差Δt≤5 ℃。因此，利用三個(gè)平面相交的方式描述各測(cè)點(diǎn)溫度。

圖6為駕駛室溫度云圖，送風(fēng)口處的溫度最大，送風(fēng)溫度平均為318 K左右(45 ℃)，在穩(wěn)態(tài)湍流的條件下，前擋風(fēng)玻璃表面溫度大致為300 K(25 ℃)左右，如圖6四邊形標(biāo)示區(qū)域。

圖6 駕駛室溫度云圖 圖7 測(cè)點(diǎn)6溫度云圖

創(chuàng)建三維空間x、y、z三個(gè)方向平面，得到測(cè)點(diǎn)6處溫度值范圍為[306.3，307.12] K，如圖7所示。同理，其他6個(gè)測(cè)點(diǎn)處的溫度范圍見(jiàn)表1。

由表1可知，各測(cè)點(diǎn)溫度約為307 K，測(cè)點(diǎn)1、2、3和4的溫度基本一致，且溫度值略高于其他點(diǎn)0.5 K。由于它們距離送風(fēng)口較近，產(chǎn)生的局部溫度會(huì)升高。測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)7處溫度略高于測(cè)點(diǎn)6，這是空調(diào)送暖風(fēng)時(shí)室內(nèi)熱空氣上升造成頂部溫度偏高。

表1 測(cè)點(diǎn)溫度值 K

3.2 速度場(chǎng)模擬

駕駛室內(nèi)空氣流速給人以直觀的感受，要求駕駛員頭部水平空氣流速v≤0.3 m/s，通過(guò)確定各測(cè)點(diǎn)位置，能準(zhǔn)確模擬駕駛室整體空氣流動(dòng)狀態(tài)。駕駛室室內(nèi)速度流線圖如圖8所示。

圖8 駕駛室速度流線圖 圖9 測(cè)點(diǎn)6流速云圖

建立三維空間x、y、z三個(gè)方向的平面，可得測(cè)點(diǎn)6的空氣流速范圍為[0.22，0.30] m/s，如圖9所示。

同理得到其他6個(gè)測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)速值，見(jiàn)表2。

表2 各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值 m/s

由表2知，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2處空氣流速為1 m/s，明顯比其他測(cè)點(diǎn)高，這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)1和2距離送風(fēng)口3和4較近，其他測(cè)點(diǎn)流速相差不大，維持在0.3 m/s。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證駕駛室內(nèi)部溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)數(shù)值模擬的正確性，實(shí)測(cè)駕駛室內(nèi)部的溫度和速度，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 實(shí)車測(cè)試

在無(wú)光照環(huán)境下試驗(yàn)，環(huán)境溫度為-5 ℃，在駕駛室空調(diào)送風(fēng)口持續(xù)送熱，裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定后，利用熱敏風(fēng)速儀測(cè)試各點(diǎn)溫度和風(fēng)速，見(jiàn)表3，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖10 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

表3 試驗(yàn)測(cè)試各點(diǎn)溫度值和風(fēng)速

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)車測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4和表5。

表5 速度誤差

由表4知,數(shù)值模擬達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)各測(cè)試點(diǎn)的溫度值約為32 ℃，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度值基本一致，最大溫度誤差為2.66%。

表4 溫度誤差

由表5可知,測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2處空氣流速最大，其他測(cè)點(diǎn)流速都小于0.3 m/s；測(cè)點(diǎn)7處的流速試驗(yàn)值為0.28 m/s，模擬值為0.30 m/s，誤差為7.1%。最大速度誤差為測(cè)點(diǎn)5處8.7%，是由送風(fēng)口1和2吹向駕駛室后壁形成渦流導(dǎo)致。

綜上所述，通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，模擬溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)比較吻合，數(shù)值模擬結(jié)果可以作為溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)合理性判斷的依據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了駕駛室模型的合理性。

5 結(jié)論

本文建立了某型裝載機(jī)駕駛室模型，對(duì)駕駛室內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性和合理性，并得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬可得，在穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)空調(diào)送風(fēng)口持續(xù)制熱時(shí)，數(shù)值模擬各點(diǎn)溫度為32 ℃左右，與試驗(yàn)各點(diǎn)溫度基本一致，溫度最大誤差值為2.66%。

(2)模擬各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速大小，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2風(fēng)速約為1 m/s，其余各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速小于0.3 m/s。駕駛員頭部水平測(cè)點(diǎn)7空氣流速實(shí)測(cè)為0.28 m/s，數(shù)值模擬為0.3 m/s，誤差為7.1%。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，模擬的溫度和速度與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合，能驗(yàn)證駕駛室模型的正確性和可行性，還為進(jìn)一步研究駕駛室內(nèi)流場(chǎng)瞬態(tài)問(wèn)題和空調(diào)風(fēng)道優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。