輕卡駕駛室熱舒適性研究與分析

崔錦瓊 陳清華,, 王建剛 王建業(yè)

（1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 淮南 232001；2.廣東立佳實(shí)業(yè)有限公司 東莞 523000；3.陜汽淮南專用汽車有限公司博士后工作站 淮南 232001）

前言

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)駕駛室熱舒適性問(wèn)題進(jìn)行了大量深入研究,主要分為進(jìn)行熱舒適性實(shí)驗(yàn)[1,2]和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）這兩大類[3,4]。熱舒適性實(shí)驗(yàn)成本高，計(jì)算流體力學(xué)方法可以降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，在汽車開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。本文以新能源輕卡車型為研究對(duì)象，按照研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)化整車模型，設(shè)置流場(chǎng)及熱邊界條件，駕駛室的流場(chǎng)進(jìn)行分析，然后對(duì)駕駛室的熱舒適性進(jìn)行分析，充分了解輕型汽車駕駛室的熱舒適性，并提出改善駕駛室舒適性的方案。通過(guò)理論分析、仿真分析的方法，對(duì)車輛在不同工況下的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真分析，參考仿真分析結(jié)果，可為駕駛室熱舒適性設(shè)計(jì)提供參考和基本指導(dǎo)，在一定程度上減少試驗(yàn)方案的盲目性，使試驗(yàn)方案更加科學(xué)、全面降低試驗(yàn)成本[5-7]。最后的分析結(jié)果還能在汽車設(shè)計(jì)階段提供參考和指導(dǎo)，提高汽車的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1 數(shù)值模擬的計(jì)算模型

駕駛室內(nèi)空氣的流動(dòng)和熱傳遞滿足質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程．直角坐標(biāo)系下這3個(gè)基本方程可分別表示為：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

標(biāo)準(zhǔn) K-ε兩方程：

式中：

ρ—?dú)怏w密度，kg/m3；

i、j—張量坐標(biāo)，分別取1，2，3；

u—?dú)怏w速度，m/s；

xi、xj—沿 x、y、z方向的坐標(biāo)，m；

k—單位質(zhì)量的湍流動(dòng)能，J /kg；

ε—湍流動(dòng)能的耗散速度，m2/s3；

μ、μt—層流、湍流的粘性系數(shù)，Pa·s；

p—壓力，Pa。t為時(shí)間，s；

Gk—由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能項(xiàng)kg/（s3·m）；

c1ε，c2ε，cμ，σk，σε—模型常數(shù),分別取為1.44，1.92，0.09，1.00，1. 30。

2 物理模型及邊界條件

2.1 物理模型的建立

采用SOLIDWORKS對(duì)系能源輕型卡車駕駛室進(jìn)行建模，因?yàn)轳{駛室內(nèi)熱空氣與外界環(huán)境冷空氣之間是一個(gè)傳熱過(guò)程，故此只對(duì)駕駛室內(nèi)部流體域進(jìn)行研究，將為外部結(jié)構(gòu)完全忽略，同時(shí)為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短計(jì)算時(shí)間、提高仿真效率，對(duì)駕駛室內(nèi)結(jié)構(gòu)也進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留了駕駛室內(nèi)座椅這一對(duì)內(nèi)部速度場(chǎng)影響較大的結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)化模型如圖1所示，外形尺寸為1330 mm*1580 mm*1425 mm。模型中將四個(gè)送風(fēng)口布置于前部?jī)x表盤上，一個(gè)回風(fēng)口布置于副駕駛腳下側(cè)，位置如圖2所示。采用Workbench中自帶的劃分網(wǎng)格軟件Mesh，并使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在Mesh中選取相應(yīng)的面進(jìn)行命名，分別命名為inlet，outlet，cheshen，boli等。最終得到非結(jié)構(gòu)話網(wǎng)格數(shù)量微141 萬(wàn)個(gè)。

圖1 駕駛室簡(jiǎn)化模型

圖2 邊界口布置圖

2.2 設(shè)置邊界條件

在對(duì)模型網(wǎng)格劃分完成后，需要對(duì)模擬的邊界條件進(jìn)行設(shè)定：設(shè)置湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型;開啟能量方程、DO太陽(yáng)輻射模型，設(shè)置進(jìn)風(fēng)口的邊界類型為速度入口且設(shè)置湍流強(qiáng)度為5 %、水力直徑0.09 mm；設(shè)置出風(fēng)口風(fēng)口的邊界類型為壓力出風(fēng)口。本文對(duì)送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度兩因素考慮新能源輕型卡車駕駛室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響，故采用控制變量法設(shè)置多種工況對(duì)比分析。不同工況分析表如表1。

表1 不同工況分析表

3 仿真結(jié)果與分析

觀察對(duì)比駕駛室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布狀況，對(duì)于數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，本文運(yùn)用Fluent軟件自帶后處理模塊CFD-POST對(duì)駕駛室內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化操作，便于分析過(guò)程更加清晰、明朗。選取司機(jī)中間位置中剖面即Z=-480 mm的XY平面為截面A和X=-430 mm的YZ平面為截面B的溫度云圖和駕駛室內(nèi)部空間流線為主要研究對(duì)象。

3.1 不同送風(fēng)速度對(duì)駕駛室內(nèi)流場(chǎng)的影響

設(shè)置出風(fēng)口溫度15 ℃時(shí)，出風(fēng)口的速度分別為1 m/s、1.5 m/s、2 m/s。在Z=-480 mm截面上觀察不同工況下的速度云圖和駕駛室內(nèi)的流線圖如圖3，圖4為截面A和截面B下的溫度場(chǎng)。

圖3 不同速度下的流場(chǎng)圖

圖4 不同速度下的溫度場(chǎng)圖

對(duì)比圖3中的（a）（b）、（c）可以知道：①三種工況中頭部均出現(xiàn)較大流速，其中工況一為0.05～0.25 m/s，工況二為0.1～0.45 m/s，工況三為0.1～0.5 m/s，一般要求駕駛室內(nèi)的空氣流速在盡量小于0.5 m/s，以防流速過(guò)大產(chǎn)生不適感，三種工況均符合基本要求。②三種工況均在座椅的前方也形成了兩個(gè)面積較大的渦流；③工況一A區(qū)域上整體速度都特別小，在靠近司機(jī)腿部的區(qū)域大面積的速度為0 m/s，如果駕駛室內(nèi)流場(chǎng)速度過(guò)小，會(huì)使得司機(jī)產(chǎn)生無(wú)風(fēng)感，駕駛室內(nèi)會(huì)讓司機(jī)感受到悶熱；工況三A區(qū)域上整體速度偏大。恰到好處的送風(fēng)速度，有利于改善駕駛室內(nèi)部的對(duì)流散熱能力。

對(duì)比圖4中的（a）（b）、（c）駕駛室截面A溫度分布云圖，在送風(fēng)速度一致的前提下，改變進(jìn)風(fēng)速度大小值，溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)大致相同，但溫度值大小有差異，對(duì)于截面A上的溫度，進(jìn)風(fēng)速度為1 m/s，1.5 m/s和2 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的平均溫度值分別為26.8 ℃，25.7 ℃，和25.1 ℃，工況二比工況一的出風(fēng)口速度高出0.5 m/s，其截面平均溫度下降了約1.1 ℃，工況三比工況二的出風(fēng)口速度高出0.5 m/s，但是其截面平均溫度只下降了0.6 ℃左右，所以送風(fēng)速度的提升確實(shí)能使駕駛室內(nèi)溫度場(chǎng)有所降低，駕駛室的溫度場(chǎng)因送風(fēng)速度的改變影響效果可觀，它是影響駕駛室內(nèi)溫度場(chǎng)分布的一個(gè)重要因素。盡管如此，當(dāng)送風(fēng)速度增加到某極限值，其溫度并未成正比下降，這樣降溫效果反而不大明顯。不僅如此送風(fēng)速度的增大同時(shí)會(huì)導(dǎo)致司機(jī)有強(qiáng)烈的吹風(fēng)感。從三種工況的截面溫度云圖可以看出，假人的左邊身體部分溫度較高，考慮到可能是因?yàn)閮x表臺(tái)上左邊出風(fēng)口面積較小的緣故和太陽(yáng)輻射的原因。三種工況下的溫度云圖均顯示司機(jī)的腳部附近總比頭部附近溫度高出大約3～6 ℃，從日常經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷駕駛室的溫度場(chǎng)分布相對(duì)恰當(dāng)，與大眾的乘坐感受理念“頭涼腳暖”一致。

3.2 不同送風(fēng)口溫度對(duì)駕駛室流場(chǎng)的影響

圖5中的（a）（b）、（c）分別給出風(fēng)口速度為1.5 m/s時(shí)，出風(fēng)口溫度為12 ℃、15 ℃、18 ℃下截面A上的速度等值線圖和駕駛室內(nèi)的流線圖。圖7中的（a）（b）、（c）分別給截面A和截面B上的溫度云圖。

圖5 不同速度下的流場(chǎng)圖

對(duì)比圖6中的（a）（b）、（c）不難發(fā)現(xiàn)：在Z=-480 mm截面上出風(fēng)口速度一定的前提條件下、改變出風(fēng)溫度，其速度等值線云圖和駕駛室內(nèi)流線圖不僅分布狀態(tài)沒(méi)發(fā)生變化，速度值大小也未發(fā)生改變。所以可得出了駕駛室內(nèi)的速度場(chǎng)不會(huì)受空調(diào)的送風(fēng)溫度的影響。

圖6 不同速度下的溫度場(chǎng)圖

對(duì)比圖6中的（a）（b）、（c）難發(fā)現(xiàn)，在出風(fēng)速度相同的條件下，改變出風(fēng)口溫度值，其截面的溫度云圖發(fā)生了很大的改變，送風(fēng)溫度的變化會(huì)影響到整個(gè)駕駛室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布情況及數(shù)值大小，對(duì)改善司機(jī)熱舒適性起到關(guān)鍵作用。由上圖可知，不同的送風(fēng)溫度下，駕駛室的溫度場(chǎng)的分布變化情況不大，且體感溫度都在舒適的范圍內(nèi)。從截面A和截面B溫度云圖中顯然可以看出，當(dāng)增大了送風(fēng)溫度時(shí)，駕駛室內(nèi)的整體溫度都在升高，這表明了送風(fēng)溫度對(duì)駕駛室的溫度有著正相關(guān)的作用。從溫度云圖上看出基本滿足“頭涼腳暖”的熱舒適性要求。

4 總結(jié)

研究表明，送風(fēng)速度對(duì)駕駛室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布存在影響，當(dāng)送風(fēng)速度每增加0.5 m/s，主要截面的平均溫度大約下降1.1 ℃，且送風(fēng)速度的增大能夠有效改善司機(jī)身體各部位的溫度均勻性，送風(fēng)速度的最小值應(yīng)使駕駛室內(nèi)空氣充分流動(dòng)才能滿足舒適度要求。送風(fēng)溫度對(duì)駕駛室內(nèi)溫度值影響非常大，對(duì)于速度分布及速度值的影響都較小。