褶皺型空調(diào)葉片對乘員艙熱舒適性的影響研究

張 亞，張 丹，貝紹軼，李紫娟，童 一，鄭 焱

(江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

0 引言

車內(nèi)熱舒適性與車內(nèi)的溫度場和空氣流場有關(guān)，良好的車內(nèi)熱舒適性有利于提高駕駛的安全性和乘坐的舒適性［1-2］。因此，對車內(nèi)熱舒適性的研究十分重要。

現(xiàn)有的對汽車車內(nèi)熱舒適性的研究已有很多，主要集中在汽車空調(diào)出風(fēng)口的布置位置、空調(diào)格柵的布置形式、送風(fēng)參數(shù)、車窗玻璃特性、太陽輻射等分別對車內(nèi)的溫度場和空氣流場的影響。Shafie 等［3］以客車為研究對象，分析不同送風(fēng)參數(shù)對客車內(nèi)流場的影響，最終得出使空氣流動最佳的送風(fēng)參數(shù);Konstantinov 等［4］對高速列車車廂的熱舒適性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對比分析內(nèi)流場和溫度場得出CFD 方法具有較高的真實(shí)性;Moon等［5］研究有無太陽輻射對仿真計(jì)算結(jié)果的影響，結(jié)果表明太陽輻射對車內(nèi)熱環(huán)境有顯著影響;Danca 等［6］研究有無乘員及出風(fēng)角度對車艙內(nèi)流場的影響，結(jié)果表明乘員的存在對流場有較大影響，艙內(nèi)空氣最大流速的位置也隨角度而變化;Mao 等［7］通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，得出座椅儲熱和車輛移動對車艙內(nèi)的熱環(huán)境具有一定的影響;Oh 等［8］首次使用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合方法分析農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)的艙內(nèi)熱環(huán)境，確定空調(diào)出風(fēng)口布置在儀表板上為最佳出風(fēng)位置;李四旺等［9］對汽車空調(diào)出風(fēng)口葉片的角度進(jìn)行研究，得出合理的角度調(diào)節(jié)位置，提高乘車舒適性;楊志剛等［10］研究了車內(nèi)不同的送風(fēng)條件、不均勻熱環(huán)境特性對駕駛室熱環(huán)境及舒適性的影響;呂鴻斌等［11］從流場和溫度場的角度深入分析乘員熱舒適性，對送風(fēng)量和送風(fēng)溫度設(shè)置提出系統(tǒng)性意見;賀巖松等［12］通過數(shù)值仿真和試驗(yàn)的方法，研究人體散熱對乘員艙溫度場的影響，得出人體散熱對開啟暖風(fēng)的艙內(nèi)溫度場的影響可以忽略。

已有的研究大多著眼于出風(fēng)口速度、布置位置和布置角度對流場和溫度場的影響，關(guān)注出風(fēng)口葉片形狀影響的研究并不多。近年來，采用褶皺結(jié)構(gòu)的流場被動控制方法被廣泛應(yīng)用于飛行器翼型和風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域［13-14］，大量研究表明褶皺結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的氣動特性。張子龍等［15］研究了4 種不同褶皺幅度翼型的氣動性能，得出小幅度的褶皺結(jié)構(gòu)有利于增加升力和減小阻力;New［16］采用水洞實(shí)驗(yàn)對比分析2 種褶皺翼型與NACA0010 翼型的流場結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，褶皺翼型a 的性能與NACA0010 翼型較為接近，流場中均會形成巨大的尾渦，而褶皺翼型b 則可以將尾渦控制在較小的尺寸范圍內(nèi)。

受褶皺型結(jié)構(gòu)展現(xiàn)的優(yōu)異氣動性能啟發(fā)，將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于空調(diào)送風(fēng)口的格柵葉片，探究褶皺型葉片對乘員艙熱舒適性的影響。對安裝不同造型的空調(diào)葉片的車輛艙內(nèi)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對比分析車內(nèi)溫度場、空氣流場等參數(shù)的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律，得出一種效果最優(yōu)的葉片模型。

1 CFD 模型及計(jì)算方法

1.1 物理模型

依據(jù)某款轎車，車內(nèi)駕駛位和副駕駛位各有1人，對照實(shí)車，利用CATIA 軟件建立1∶1 的車艙模型。本文分析的是汽車車艙內(nèi)的熱流場，即前擋風(fēng)玻璃到后擋風(fēng)玻璃之間的空間，故除去發(fā)動機(jī)艙、左右后視鏡、行李箱、車輪等外部部件［17］。同時(shí)為減少網(wǎng)格數(shù)量、提高網(wǎng)格質(zhì)量，便于之后的計(jì)算，所以簡化去掉一些對車艙內(nèi)部流場影響較小的部件，如方向盤、扶手箱、安全帶等，主要保留有車窗、前后擋風(fēng)玻璃和座椅等部件。帶人體的車艙模型如圖1 所示。

圖1 帶人體的車艙模型示意圖

汽車車艙內(nèi)的空調(diào)采用標(biāo)準(zhǔn)的4 個(gè)出風(fēng)口，分布在汽車儀表板上，出風(fēng)口1 和出風(fēng)口4 為1 組出風(fēng)口，形狀、大小相同，尺寸為90 mm×60 mm;出風(fēng)口2 和出風(fēng)口3 為另一組出風(fēng)口，形狀、大小相同，尺寸為120 mm×60 mm。出風(fēng)口布置如圖2所示。

圖2 出風(fēng)口布置示意圖

汽車空調(diào)葉片設(shè)計(jì)有普通平板葉片和沿空氣流向褶皺的波浪形葉片，如圖3 所示。b1 型葉片為普通平板葉片，葉片長90 mm，寬20 mm，厚3 mm，b2—b5 為褶皺形葉片，其中2、3、4、5 表示葉片上褶皺的個(gè)數(shù)，首個(gè)波峰厚度3 mm，尾部厚度1.7 mm，具體尺寸如圖3 所示。

圖3 葉片模型示意圖

1.2 網(wǎng)格模型

本文使用網(wǎng)格劃分軟件ICEM 對車艙內(nèi)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于車艙模型內(nèi)布置有假人模型和葉片模型，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故選擇四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法［18］。網(wǎng)格設(shè)置的尺寸決定計(jì)算精度的高低，綜合考慮計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算的精度，全局最大尺寸160 mm，在出風(fēng)口葉片處加密網(wǎng)格，加密網(wǎng)格尺寸0.5 mm，而在曲率較大及平整的地方設(shè)定較大的網(wǎng)格，在葉片設(shè)置邊界層，邊界層第一層厚度0.1 mm，共5 層，最后生成的車艙內(nèi)網(wǎng)格模型如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果模型示意圖

1.3 湍流模型

任何流體的流動特性都必須滿足3 個(gè)流動基本定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。對于在車艙內(nèi)部的流動問題，一般可以看作是不可壓縮的流動，滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。方程表達(dá)形式如下:

質(zhì)量守恒方程:

動量守恒方程:

能量守恒方程:

式中:ρ 為流體密度;ui和uj為速度分量;xi和xj為坐標(biāo)分量;p 為流體單元壓力;τij為流體單元粘性應(yīng)力分量;Fi為流體單元體力;T 為溫度;k 為熱傳導(dǎo)系數(shù);cp為比熱容;ST為粘性耗散項(xiàng)。

1.4 數(shù)值計(jì)算方法

在夏季時(shí)，太陽輻射強(qiáng)度高，室外的汽車受太陽輻射的影響較大，因此在計(jì)算時(shí)打開DO 輻射模型加入太陽輻射，采用太陽射線跟蹤模式計(jì)算，本文模擬的地點(diǎn)為常州，即東經(jīng)119.5°，北緯31.5°，時(shí)間為6 月21 日，正午13:00。

4 個(gè)空調(diào)送風(fēng)口設(shè)置為速度入口，出風(fēng)口1 和4的入口速度大小設(shè)置為2.5 m/s，出風(fēng)口2 和3 的入口速度大小設(shè)置為2 m/s，送風(fēng)的溫度287.15 K，出口設(shè)置為壓力出口。

設(shè)置車身壁面、車內(nèi)儀表、車輛頂部、車輛底部為無滑移壁面，因與車艙內(nèi)存在熱交換和熱對流并考慮熱輻射問題，故上述壁面的熱交換方式都設(shè)置為Mixed 方法。車窗玻璃為透光材質(zhì)，故車窗玻璃是設(shè)置為半透明壁面，熱交換方式選擇Mixed 方法。座椅和人體均設(shè)為無滑移壁面，座椅熱交換方式選擇Convection，考慮到人體自身散熱問題，選擇Heat Flux 選項(xiàng)。

1.5 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

在計(jì)算過程中，先進(jìn)行k-ε 兩方程模型穩(wěn)態(tài)計(jì)算［19］，獲取定常解，在穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上使用LES 模型進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算，獲取非定常解。LES 模型的空間離散模式采用二階迎風(fēng)格式，壓力-速度耦合采用PISO 進(jìn)行求解。對3 種不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證，經(jīng)過數(shù)值計(jì)算后的結(jié)果如表1 所示，可以看出875 萬網(wǎng)格與1 061 萬網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果大致相符，考慮到時(shí)間和設(shè)備，模型網(wǎng)格均選擇875 萬左右網(wǎng)格數(shù)量。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

2 計(jì)算結(jié)果與分析

為方便觀測溫度場和空氣流場，在車艙模型中截取4 個(gè)截面，分別為:XZ 截面，位于駕駛員頭部中間;XY 截面，位于出風(fēng)口中間位置;YZ 截面，位于人體中間位置。3 個(gè)截面如圖5 所示。為更加直觀的觀察研究車艙內(nèi)某一點(diǎn)的降溫效果，共選取6 個(gè)點(diǎn)作為溫度監(jiān)測點(diǎn)，分別為:駕駛員面部P1 點(diǎn)，駕駛員耳旁P2、P3 點(diǎn)，駕駛員腹部P4 點(diǎn)，后排P5、P6 點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)位置如圖6 所示。

圖5 截面示意圖

圖6 監(jiān)測點(diǎn)示意圖

2.1 阻力系數(shù)分析

表2 為計(jì)算得到的各個(gè)空調(diào)葉片的阻力系數(shù)，由表2 可以直觀的看出，褶皺個(gè)數(shù)對汽車空調(diào)葉片的影響較為明顯，阻力系數(shù)隨褶皺個(gè)數(shù)的增加而逐漸減小，b5 型葉片的減阻效果達(dá)到了58.25%，這表明褶皺型空調(diào)葉片對空氣的阻力更小，便于空氣的流通。

表2 褶皺葉片與平板葉片阻力系數(shù)

2.2 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析

圖7 為不同類型空調(diào)葉片在空調(diào)出風(fēng)口1 位置的局部流線圖，從圖中可以看出，對于所有葉片而言，葉片的上方均形成大小不同的漩渦，最上層的葉片出現(xiàn)大尺度的漩渦，在褶皺型空調(diào)葉片的凹槽位置被駐留漩渦填充。褶皺型葉片上的駐留漩渦沿著順時(shí)針的方向旋轉(zhuǎn)，與出風(fēng)口的送風(fēng)方向一致，這有利于氣流在葉片上方快速的通過，從而達(dá)到減少阻力的作用。

圖7 出風(fēng)口1 局部流線圖

圖8 為不同類型葉片在空調(diào)出風(fēng)口1 位置的局部湍動能云圖，對比湍動能的分布情況，b1 型普通葉片的高湍動能分布的區(qū)域面積均大于褶皺型葉片，隨著褶皺個(gè)數(shù)的增加，褶皺型葉片的高湍動能區(qū)域面積在逐漸減小，b5 型褶皺葉片的高湍動能區(qū)域面積最小。這表明b5 型褶皺葉片上側(cè)空氣流動波動小于其他類型的葉片，使得b5 型褶皺葉片前后的壓差變小，從而減小了空氣流動阻力，這也印證了上述的阻力系數(shù)的大小關(guān)系。

圖8 出風(fēng)口1 局部湍動能云圖

圖9 為5 種不同葉片在XZ 截面下的速度云圖，從圖中可以看出，在不同葉片下的車艙內(nèi)的空氣流速最高為0.7 m/s，最低為0.05 m/s。對比人體頭部位置的速度云圖，可以發(fā)現(xiàn)在空氣流速為0.3～0.5 m/s 的區(qū)域面積上，褶皺型空調(diào)葉片比普通空調(diào)葉片大，并且b2 到b5 型褶皺葉片在該區(qū)域上是逐漸增大，這表明b5 型褶皺葉片在人體頭部附近可以有一個(gè)更加快速的降溫效果;對比人體軀干和大腿部位附近的速度云圖，可以發(fā)現(xiàn)褶皺型空調(diào)葉片比普通空調(diào)葉片的空氣流速快且區(qū)域面積也更大，這說明人體附近空氣進(jìn)行熱交換的區(qū)域變得廣闊，有利于溫度的下降;對比后排座位的速度云圖，整體流場分布情況相差不大，b5型褶皺葉片在流速為0.15 m/s 以上的區(qū)域面積明顯大于b1 型普通葉片。

圖9 XZ 截面速度云圖

圖10 為XZ 截面的溫度云圖，b1 型普通葉片的車艙內(nèi)最低溫度和b2—b5 型褶皺葉片的車艙內(nèi)最低溫度為298 K，而b1 型普通葉片在298 K的區(qū)域面積非常小，顯然褶皺型葉片車艙內(nèi)溫度均比普通型葉片車艙內(nèi)溫度低，這表明褶皺型葉片對車艙內(nèi)降溫有良好的效果。對比車艙內(nèi)后排區(qū)域和人體附近區(qū)域的溫度云圖，發(fā)現(xiàn)b5 型褶皺葉片在300 K 以下的低溫區(qū)域面積明顯大于其他葉片，這說明b5 型褶皺葉片對車艙內(nèi)的降溫效果最好。

圖10 XZ 截面溫度云圖

結(jié)合不同格柵葉片對應(yīng)的速度云圖和溫度云圖分析，在乘員身體前側(cè)區(qū)域和后排座椅區(qū)域氣體流動速度較大、溫度較低，而前擋風(fēng)玻璃和乘員腿部區(qū)域氣體流動速度較小、溫度較高。這是由于低溫氣流快速運(yùn)動的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行更多的熱交換，帶走更多的熱量，使流速較大的區(qū)域降溫較快。

圖11 為基礎(chǔ)葉片b1 和降溫效果最佳的葉片b5 在XZ 截面上的速度流線和溫度云圖。

圖11 XZ 截面流線-溫度云圖

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在人體區(qū)域和后排座椅區(qū)域形成4 個(gè)大小不同的漩渦區(qū)域，這是由于在座椅和乘員的阻擋下，高速的氣流形成回流。漩渦區(qū)域可以有效的將低溫氣流和高溫空氣混合，從而進(jìn)行充分的熱交換，加速降溫，從溫度云圖上也可以看出，漩渦區(qū)域溫度低于其他區(qū)域溫度。b5 型葉片在人體區(qū)域的漩渦面積明顯大于b1 型葉片，低溫區(qū)域面積更大，這表明b5 型葉片降溫效果更優(yōu)。

2.3 乘員艙內(nèi)溫度隨時(shí)間變化分析

瞬態(tài)計(jì)算是模擬車艙內(nèi)的溫度在323.15 K時(shí)，打開汽車空調(diào)來降溫的過程。圖12 表示的是不同類型的空調(diào)葉片模型在6 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的降溫情況。從圖中可以看出，車艙內(nèi)的6 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度隨著空調(diào)的打開而不斷的降低，從160 s 左右開始在某一溫度值上下波動，然后趨向平穩(wěn)，車艙內(nèi)的溫度場逐漸到達(dá)穩(wěn)定的狀態(tài)。各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)到達(dá)溫度狀態(tài)的時(shí)間各不相同，這是由于監(jiān)測點(diǎn)位置的不同，正對著出風(fēng)口和距離出風(fēng)口近的監(jiān)測點(diǎn)，例如P1 和P5，溫度變化的速率較快，且相對其他監(jiān)測點(diǎn)的最低溫度也更低。從P1 點(diǎn)的各個(gè)葉片的降溫曲線來看，b5 型褶皺葉片的降溫速率最快，在車艙內(nèi)溫度穩(wěn)定后的波動也最小，其他幾個(gè)監(jiān)測點(diǎn)也有相同的變化規(guī)律，這表明b5 型褶皺葉片降溫的效果最好。

圖12 監(jiān)測點(diǎn)降溫曲線

圖13 是b1 型普通葉片和b5 型褶皺葉片在YZ 截面溫度云圖。從圖中可以看出，隨著空調(diào)的開啟，車艙內(nèi)的溫度開始逐漸的降低，從圖中可以反應(yīng)出來的是藍(lán)色低溫區(qū)域面積越來越大。對比b1 型普通葉片和b5 型褶皺葉片，可以看出b5 型褶皺葉片在40 s 時(shí)溫度就有明顯的降低，在120 s時(shí)溫度開始趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，而b1 型普通葉片在40 s 時(shí)溫度仍然較高，在160 s 時(shí)車艙內(nèi)溫度才開始趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，對比圖可以表明，b5 型褶皺葉片的降溫速率明顯優(yōu)于b1 型普通葉片。

圖13 YZ 截面溫度云圖

圖14 是b1 型普通葉片和b5 型褶皺葉片在XY 截面溫度云圖。從圖中可以看出，前部的儀表區(qū)域的溫度較高，這是由于太陽輻射以及出風(fēng)口死角的原因，低溫空氣由4 個(gè)出風(fēng)口吹出，首先接觸駕駛位和副駕駛位人員的手臂部位，手臂區(qū)域的降溫速度較快。由于人員和座椅的阻擋，后排座椅區(qū)域的降溫速度較慢。對比b1 型普通葉片和b5 型褶皺葉片，可發(fā)現(xiàn)與YZ 截面相同的變化規(guī)律，b5 型褶皺葉片的降溫速率較快，同時(shí)，b5 型褶皺葉片的后排的低溫區(qū)域明顯大于b1 型普通葉片，這表明b5 型褶皺葉片的降溫效果更好。

圖14 XY 截面溫度云圖

3 結(jié)論

1)褶皺型空調(diào)葉片與普通平板葉片相比，在車艙出風(fēng)口處能夠取得良好的減阻效果，其中波峰數(shù)為5 的褶皺型葉片減阻效果最佳，阻力系數(shù)降低58.25%。

2)空調(diào)葉片的形狀對車艙內(nèi)的速度場和溫度場有一定的影響，褶皺型空調(diào)葉片的降溫效果優(yōu)于普通平板葉片，其中褶皺數(shù)為5 的褶皺型葉片降溫速率最快，車艙內(nèi)的低溫區(qū)域最廣，降溫效果最優(yōu)。