汽車乘員艙熱舒適性影響因素的研究

曹文霞，張雷 ,范習民

（1.231603 安徽省 合肥市 安徽水利水電職業(yè)技術學院 ；2.230601 安徽省 合肥市 安徽江淮汽車集團股份有限公司）

0 引言

我國南方地區(qū)夏季非常炎熱，由于乘員艙內空間狹小且相對封閉，使得車內溫度快速升高，溫度場不均勻性增大。如果空調系統(tǒng)設計不好，出風溫度和風量較小，或者車內的流場組織分布不合理，則不能給乘客有效降溫。駕駛員長期處于這種環(huán)境下容易疲勞、精神煩躁、注意力不集中，加大發(fā)生交通事故的概率。

隨著計算機和數值技術的快速發(fā)展，研究人員開始利用CFD對轎車乘員艙的熱舒適性進行研究，江濤[1]等人研究了不同太陽高度角對乘員艙熱舒適性的影響；谷正氣[2]等人通過改進空調風道中所加導流片的3 個結構參數，提升了空調出風總量和出風比例；唐江明[3]等人對汽車空調送風格柵進行優(yōu)化，改進乘員熱舒適性；王峰[4]等人考慮了太陽輻射、空調出風口位置和角度對溫度場的影響。已有的研究大多憑經驗對空調系統(tǒng)的風道結構進行改進，沒有考慮風道送風溫度和送風量的影響，部分使用的車圍結構的邊界條件參數，如太陽輻射吸收率、透射率和反射率等的設置是同一的，厚度也欠考慮。

本文利用一維參數組合模型調整法OPCMA 快速建立準確的乘員艙參數組合模型，將其應用到三維仿真軟件Star CCM+的邊界條件中，分析不同的送風溫度和送風量對乘客熱舒適性的影響，為汽車空調設計提供參考。

1 乘員艙模型

使用三維建模軟件CATIA對乘員艙進行建模，部件包括車體、座椅、內飾部件、風道和假人等。將模型導入到Star-CCM+中，經修復、簡化和防接觸處理后，使用包面功能提取乘員艙的內表面，如圖1 所示。

圖1 包面后的乘員艙三維模型Fig.1 3D model of occupant compartment after covering

將車頂隱藏后，可以看到乘員艙內部的結構：前排安排2 名乘客分別為駕駛員和副駕駛員，儀表盤左、左中、右中、右有4 個出風口，副駕駛的腳部開有排氣口，如圖2 所示。

圖2 模型內部結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of internal structure of the model

2 CFD 仿真

2.1 基本控制方程

（1）連續(xù)方程

（2）動量方程

（3）能量方程

式中：ui，uj——平均速度的分量；xi，xj——坐標分量；p ——流體微元的壓力；μeff——湍流有效粘性系數；ρ——空氣密度；Cp——比熱容；k ——傳熱系數；ST——流體內熱源由于粘性作用使得機械能轉化為熱能的部分[4]。

2.2 網格劃分

整個計算模型采用Star-CCM+中的多面體網格模型，為了計算的準確性，在風道格柵和假人各部位等多處進行了加密，并設置2 層邊界層，最后得到的體網格數量為4 471 423。劃分網格的模型如圖3 所示。

圖3 求解域體網格示意圖Fig.3 Schematic diagram of solving domain volume mesh

2.3 參數組合模型的建立

由于乘員艙模型部件眾多，如儀表板、內飾板、膠條等，為使三維仿真輸入更加準確，將具體設置每個部件的導熱系數、厚度、吸收率、透過率和反射率。

在調整過程中需要利用一維仿真軟件KULI 中的乘員艙模型對熱負荷實驗進行對比快速驗證，最后調整的結果如表1 所示。

國有企業(yè)要以自身的實際情況為基礎，以此來健全財務管理體系，然后進行逐步完善，以此來實現(xiàn)財務預算管理的效果，進一步健全財務管理考核機制，以此來確保財務預算管理的效果。當前大多數國有企業(yè)的考核機制過于簡單，在考核指標與考核方法方面，不能夠精確的對員工的工作業(yè)績進行考評，從而不利于員工對于工作的積極性。鑒于此，要注重對考評機制在建立過程中的合理性與科學性，以員工的工作業(yè)績?yōu)閰⒖紝ω攧疹A算管理的成果進行評價，并制定出完善的獎懲機制，從而激發(fā)財務預算管理人員的主觀能動性，從而確保國有企業(yè)財務預算管理工作的實施效果。

表1 參數組合模型Tab.1 Parameter combination model

由于空氣從風道進口經過風道再到出風口的過程中會有2～3 ℃的熱量損失，需要在風道中設置相應的熱導率和厚度。

2.4 邊界條件設定

空間離散方式采用2 階迎風差分格式。流場計算方式使用SIMPLE 算法。乘員艙中的流場使用K-Epsilon 湍流模型。計算域的入口是從風道底部進入，經過風道分流后從4 個出風口出來。風道入口分成三等分，左右隔腔負責連通左右兩側的出風口，中間的隔腔同時連通左中和右中2 個出風口，入口需要采用壓力進口。如圖4 所示。

圖4 風道結構示意圖Fig.4 Air duct structure diagram

3 數值計算仿真與實驗驗證

3.1 實驗條件與工況表

為了檢驗模型的準確性，以真車在環(huán)模艙中的整車降溫實驗結果為對比依據進行驗證。環(huán)模艙內環(huán)境溫度為43 ℃，相對濕度40%，日照量為恒定值1 000 W/m2[5]，車內有駕駛員和副駕駛員。為研究不同出風溫度和風量對乘員舒適性的影響，工況設置如表2 所示。

表2 仿真工況表Tab.2 Simulation conditions

3.2 出風口溫度和風量驗證

整車降溫實驗中的實測風量為340 m3/h，而仿真的總風量在350 m3/h 左右，誤差小于3.6%，各出風口的風量誤差基本在4%左右，最大不超過10%，如表3 所示。

表3 邊界條件表Tab.3 Boundary conditions

4 個出風口在4 個不同工況，溫度比入口處高2～3 ℃，誤差在1 ℃以內，如圖5 所示。

圖5 出風口空氣溫度實驗與仿真對比圖Fig.5 Comparison of air temperature experiment and simulation at air outlet

3.3 呼吸點溫度驗證

實驗中在前后排乘客呼吸點附近布置溫度傳感器，用于記錄和指示乘員艙內溫度的變化情況。實驗結果與仿真結果對比如表4 所示，可以發(fā)現(xiàn)，前后排呼吸點處仿真值與實驗值的誤差基本在1.5℃以內，最大不超過2.3 ℃。

表4 呼吸點溫度表Tab.4 Breathing points thermometer

4 熱舒適性評價分析

4.1 乘員艙氣流組織情況和溫度場分析

隨著風量的增加，乘員艙內的溫度會有不同程度的下降，然而在實驗中發(fā)現(xiàn)前排呼吸點的平均溫度比后排呼吸點的平均溫度要高，有局部區(qū)域溫度過高的情況。通過仿真發(fā)現(xiàn)實際情況跟實驗一樣，溫度場和前后排呼吸點溫度分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 駕駛員對稱截面溫度場Fig.6 Temperature field of symmetrical section of driver

圖7 前后排呼吸點溫度實驗值Fig.7 Experimental value of temperature of breathing points in front and back row

4.2 PMV-PPD 評價

4.2.1 PMV-PPD 評價介紹

1967 年，F(xiàn)ANGER[6]針對熱舒適性提出了預期平均熱感覺（Predicted Mean Vote，PMV）的概念，用于預測一定變量組合環(huán)境下人體的熱舒適度，涉及室溫、相對濕度、平均風速、著衣量和人體作業(yè)量6 個變量。

PPD（Percentage of persons dissatisfied）是指對在一特定環(huán)境感到不適人員的比例。ISO 標準中，PPD 小于 10%的狀態(tài)為推薦熱舒適狀態(tài)[7]。其定義式為：

4.2.2 PMV-PPD 評價

在Star-CCM+中編寫函數，計算乘員的PMV和PPD 值[8]。在9.5 ℃的進風溫度下，送風風量從350 m3/h 增加到400 m3/h 和420 m3/h，可知成員的PMV值越接近0，PPD 值降低，說明在一定范圍內提高風量有利于提高成員的熱舒適性[9]，如表5 所示。

表5 不同風量下的PMV-PPD 值Tab.5 PMV-PPD values under different air volumes

結合國內外舒適性相關研究和我國國民溫度感覺習慣，夏季將車內平均氣流控制在0.5 m/s 左右人體感覺最好[10-11]。過高的風量會增加乘員的吹面風速，引起乘員的不舒適感。

截取不同風量下駕駛員對稱截面的速度場進行分析，如圖8 所示。

圖8 駕駛員對稱截面速度場Fig.8 Velocity field of driver's symmetrical section

350，400，420 m3/h 風量下，乘員吹面風速為0.55，0.65，0.7 m/s，且受進口風溫的影響較小。

5 結論

本文通過考慮太陽輻射情況下基于速度場、溫度場、PMV-PPD 值和空氣齡等形象的數據，對夏季空調降溫過程中乘員艙舒適性進行可視化的分析，并做出科學的預測和評價。

運用一維參數組合模型調整法獲取應用于三維數值模擬計算的相關邊界條件的參數，經過實驗的對比，溫度誤差基本在1.5 ℃以內，風量及其分配誤差基本在4%以內，證明該方法適用于三維數值模擬前期計算的參數的快速獲取。

在一定范圍內提高風道的出風溫度和風量可以提高乘員的熱舒適性。但提高風量時需要注意風道的設計，避免吹面風速過高引起乘員的不舒適感。

乘員附近空氣齡與風量基本成正比關系，說明進風量增大有利于減少空氣駐留的時間，提升空氣的新鮮度和品質。