基于CFD的車室內熱舒適評價及試驗研究

張喜清，王亞龍，張浩杰

(太原科技大學機械工程學院，山西太原 030024)

0 前言

裝載機作為重要的土方機械，其作業(yè)環(huán)境往往比較惡劣，工作時間長，勞動強度大。因此，保證車室內良好的熱環(huán)境，可以緩解駕駛員疲勞，減少事故的發(fā)生。

利用CFD技術對駕駛室熱舒適性的研究較多。林家泉、遲聘[1]采用加權PMV和EQT熱舒適性評價指標，研究飛機座艙內的非均勻熱環(huán)境；趙蘭萍等[2]基于PMV指標和等效均勻溫度(EHT)對駕乘人員熱感覺進行分析，得出EHT指標更容易滿足駕乘人員的熱舒適性；王勇等人[3]基于Fluent二次開發(fā)UDF對駕駛室熱舒適性進行仿真分析，研究不同送風方式和送風溫度對熱舒適性的規(guī)律影響；王靖宇等[4]在當量溫度EQT基礎上結合熱感覺偏差和冷負荷，利用不同送風參數(shù)研究轎車內流場的分布，分析氣流組織對熱舒適性影響；呂鴻斌等[5]基于內流場對轎車乘員艙進行熱舒適性分析，研究了送風溫度對人體熱舒適性的影響。目前，大多數(shù)研究以轎車熱舒適性為對象，因此對裝載機駕駛室熱舒適性進行研究，不僅有一定的理論意義，還有較強的工程價值。

本文作者以某裝載機駕駛室為研究對象，對冬季駕駛室的熱舒適性進行研究，利用CFD商業(yè)軟件對駕駛室內流場進行數(shù)值模擬，通過試驗驗證模型是否合理。采用UDF編程對PMV-PPD、吹風感和空氣齡進行定義，對駕駛室內流場進行可視化處理。

1 模型建立及參數(shù)設置

1.1 數(shù)學模型

考慮到駕駛室空間狹小，室內空氣流速較低，假設空氣為不可壓縮氣體，計算流體力學的控制方程如下：

(1)連續(xù)性方程

(1)

式中：ρ為密度；t為時間；u為速度矢量，ux、uy、uz分別為X、Y、Z三個方向的分量。

(2)動量方程

(2)

(3)

(4)

式中：p為微元體上的壓力；τxx、τxy和τxz是因分子黏性作用而產生在微元體表面上的黏性應力τ的分量；微元體表面X、Y、Z三個方向的應力張量fx、fy、fz是微元體受到的體積力。

(3)能量方程

(5)

(4)Realizableκ-ε方程

(6)

(7)

式中：Gb為浮力產生的湍動能；ut為湍流黏度；σk和σε分別表示湍動能和湍動能耗散率的普朗特數(shù)。

1.2 物理模型

由于駕駛室復雜結構對氣流分布存在影響，為方便計算，根據(jù)駕駛室內部結構，按照對流體流動和熱舒適性影響小的原則，進行如下簡化：

(1) 將駕駛室內飾和外部結構簡化為平面，保留玻璃車門等部位的尺寸；

(2) 簡化送風口和出風口，保留其有效面積，使駕駛室可完成進排氣循環(huán)；

(3)保留儀表盤、方向盤、座椅等結構，去除一些細小的零部件；

(4) 考慮到除霜口不經常使用，在建模中給予簡化。

利用CATIA軟件建立駕駛室?guī)缀文Ｐ?，保留座椅、方向盤、送風口、出風口、玻璃和車門，幾何模型如圖1所示。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

1.3 網格劃分

為提高計算精度，盡可能保證網格方向和流動方向一致，在提高數(shù)值求解的收斂性和穩(wěn)定性同時，還能減少偽擴散。采用非結構網格劃分有限元模型，有利于節(jié)約計算時間。對送風口、出風口等梯度大的地方進行加密處理，生成的體網格單元數(shù)量為502萬，網格節(jié)點為92.8萬。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

1.4 邊界條件設置

根據(jù)仿真和實車測試數(shù)據(jù)，對邊界條件和數(shù)值求解參數(shù)進行設置，邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件設定Tab.1 Boundary condition setting

2 數(shù)值仿真與試驗驗證

為準確分析車室內熱舒適性，根據(jù)GB/T 19933.4—2014規(guī)定測量點1～6的溫度和點1～7的空氣流速。通過測量駕駛員周圍各點溫度和空氣流速，來反映駕駛室的熱舒適性[6]。各測點位置如圖3所示。

圖3 測點位置Fig.3 Location of measuring points

2.1 氣流組織分析

合理的氣流組織保證了駕駛室內的溫度和空氣流速。根據(jù)現(xiàn)場測試，空調送風分為吹臉模式(1和2)和吹腳模式(3和4)。暖風氣流經送風口1和2進入駕駛室，徑直吹向駕駛員兩側，氣流遇到后壁面時，大部分沿垂直方向經室內頂棚折返到前擋風玻璃。由送風口3和4送入的暖風氣流徑直吹向地板，使得人體腳步附近的溫度得以快速提高。氣流組織分布如圖4所示。

圖4 氣流組織分布Fig.4 Air distribution

2.2 溫度場分析

一般認為，車室內的溫度對駕駛員熱舒適性影響最大。冬季室內的熱舒適溫度推薦值為17～21 ℃，低于14 ℃、高于25 ℃都會影響駕駛員的操作，增加事故的風險性[7]。駕駛員周圍的溫差應小于5 ℃，溫差過大會讓人感覺不適。

當駕駛室氣流達到穩(wěn)定時，大部分區(qū)域的溫度為22～23 ℃，分布比較均勻，但座椅后側和儀表盤附近的溫度低于14 ℃，由于氣流遇到阻礙不能到達該位置造成的。溫度場分布如圖5所示。

圖5 溫度場分布Fig.5 Temperature field distribution

2.3 速度場分析

適宜的空氣流速能快速提升車室內的溫度，冬季室內的空氣流速推薦值一般為0.5 m/s，流速過小會讓駕駛員感到沉悶，太大會影響人體保溫[8]。根據(jù)人體頭部對冷敏感和腳部對熱敏感的反應，在評價車室內熱舒適性時，應考慮頭涼腳暖帶給駕駛員的影響。

通過速度云圖可知，人體上半身空氣流速小于0.4 m/s，面部空氣流速在0.1～0.3 m/s之間，不會給頭部帶來強烈的吹風感。送風口3、4送入的暖風氣流遇座椅受阻，產生局部渦流導致小腿附近的空氣流速偏大。人體中心速度場分布如圖6所示。

圖6 速度場分布Fig.6 Velocity field distribution

2.4 試驗驗證

利用熱敏風速儀和數(shù)字溫度表，分別對人體附近位置點進行測試。為減小試驗帶來的誤差，多次測量求其平均值。現(xiàn)場試驗操作如圖7所示。

圖7 試驗操作Fig.7 Test operation

將仿真與試驗進行對比分析，仿真溫度比試驗溫度高1～2 ℃，各點實測平均溫度為21.1 ℃，與室內溫度的推薦值比較接近。測點5處的溫度最大，約為22.4 ℃，由于室內暖風氣流上升的緣故，使得該位置的溫度較其他部位高1～2 ℃。通過分析各點溫度值，測點5的誤差值最大，約為8.4%。溫度對比結果如圖8所示。

圖8 溫度對比Fig.8 Temperature comparison

通過分析各測點空氣流速，受送風口3和4吹入氣流的影響，點1和2的流速較大，分別為0.56、0.53 m/s。點3、4、6和7處的流速比較接近，約為0.3 m/s，小于室內空氣流速的推薦值0.5 m/s。經過對比驗證，測點2的速度誤差最大為7%。速度結果如圖9所示。

圖9 速度對比Fig.9 Speed comparison

通過比較測點的溫度和速度，誤差值均小于10%，仿真與試驗基本吻合?？紤]到駕駛室為簡化模型、實測試驗產生的誤差，證明該模型有一定的合理性。

3 熱舒適性評價及分析

熱舒適性是人體對熱環(huán)境的主觀感受，有關熱舒適性的評價指標有很多，比如等效均勻溫度、速度不均勻系數(shù)和整體熱感覺等。本文作者基于PMV-PPD、空氣齡和吹風感多指標體系，進一步分析車室內的熱舒適性。

3.1 熱舒適性指標

(1)PMV-PPD

依據(jù)ISO7730標準，當PMV在(-0.5，0.5)范圍內、PPD<10%時，人體熱感覺較為舒適；當PMV=0，PPD=5%時，人體為最舒適狀態(tài)[9]。近年來，PMV-PPD作為評價室內熱環(huán)境的舒適性被廣泛使用，PMV的計算方程如下：

fPMV=(0.303e(-0.036M)+0.028){(M-W)-3.05×10-3[5 733-6.99(M-W)-pa]-0.42(M-W-

58.15)-1.7×10-5M(5 867-pa)-0.001 4M(34-

Ta)-3.96×10-8fcl[(Tcl+273)4-(Tr+273)4]-fclhc(Tcl-Ta)}

(8)

式中：M為新陳代謝率(W/m2)；W為人體輸出功(W/m2)；pa為水蒸氣分壓(kPa);Ta為局部空氣溫度(℃);fcl為穿衣人體和裸體表面積之比;Tcl為著衣外表面溫度(℃);Tr為平均輻射溫度(℃);hc為對流交換系數(shù)[W/(m2·K)]。根據(jù)人體對冷熱的感知，得出熱感覺與PMV值的對應關系，評價等級如表2所示。

表2 PMV評價等級Tab.2 PMV assessment grade

由于個體間的差異，每個人對同一環(huán)境下的熱舒適感不完全一樣，由此提出熱環(huán)境下的預測不滿意率PPD，表示人體對當前熱環(huán)境的不滿意度。當PMV確定時，PPD的計算方程如下：

(9)

(2)吹風感和空氣齡

吹風感是用來預測吹風強度引起人體的不滿意率。由空氣運動引起駕駛員產生期望的局部冷感，用DR來表示。依據(jù)ISO7730規(guī)定，吹風感系數(shù)小于15%時，人體處于舒適區(qū)間。DR的計算公式如下

fDR=(34-Ta)(va-0.05)0.622 3(0.369 6vaTu+3.143 9)×100%

(10)

式中：Ta為空氣溫度，℃；va為空氣速度， m/s；Tu為湍流強度，%。當va<0.05 m/s時，則va=0.05 m/s，當fDR>100%時，取DR=100%。

最早在20世紀80年代，SANDBERG M提出了評價空氣品質的重要指標空氣齡[10]。即空氣從入口到達室內某一位置經歷的時間，空氣齡越小，說明空氣越新鮮。封閉空間中某一點的空氣由不同空氣齡τ的空氣組成，設空氣齡概率為f(τ)，空氣齡平均值τp計算公式如下

(11)

3.2 熱舒適性分析

利用C語言對PMV-PPD、吹風感以及空氣齡等熱舒適性指標進行UDF編譯，結合Fluent模擬軟件，對各評價指標實施可視化處理。

3.2.1 PMV-PPD分析

當駕駛室穩(wěn)定后，室內溫度和速度都發(fā)生了很大變化。駕駛員表面的PMV值在(-0.55，0.35)區(qū)間內，PPD值分布范圍為5.5%～12.5%。頭部的PMV值為0.2，PPD值約為6%，說明該部位熱舒適性良好。然而駕駛員左腳處PMV值為-0.55，PPD值為12.5%，說明左腳處微涼，預測不滿意度偏大。

總體來說，人體表面PMV-PPD值基本在合理的范圍內，滿足ISO7730規(guī)定的-0.5

圖10 人體表面PMV分布 圖11 人體表面PPD分布Fig.10 PMV distribution on Fig.11 PPD distribution on human body surface human body surface

3.2.2 吹風感分析

通過對駕駛員表面吹風感進行研究，得出吹風感系數(shù)10%

圖12 人體表面吹風感分布

3.2.3 空氣齡分析

空氣齡用來評價室內空氣品質的好壞，當空氣齡小于40 s，認為該室內的空氣較新鮮，人體感覺比較舒適。

從中心截面空氣齡云圖可知，駕駛員附近平均空氣齡為32～36 s，空氣齡分布均勻，說明室內空氣比較新鮮。駕駛員背部與座椅之間、前擋風玻璃下邊緣、座椅與后壁形成的狹小空間，這些位置氣流組織很難到達，空氣齡甚至達到了40 s?？傮w看來，車室內的空氣新鮮度較好?？諝恺g的分布如圖13所示。

圖13 空氣齡分布Fig.13 Air age distribution

4 結語

以冬季裝載機駕駛室暖風工況為研究對象，對駕駛室熱舒適性進行評價，并得到如下結論：

(1) 通過建立仿真模型，設置不同送風口的溫度和速度，經仿真與試驗對比驗證，在一定誤差范圍內，各測點溫度誤差最大為8.4%，速度最大誤差值為7%，證明所建模型的合理性和可靠性。

(2) 評價駕駛室熱舒適性時，利用Fluent自定義功能的方法對PMV-PPD、吹風感和空氣齡進行編譯。經編譯后對駕駛室熱舒適性進行可視化處理，并分析了局部熱不舒適、吹風感強烈及空氣不新鮮的原因。

(3)車室內的氣流組織與人體熱舒適性緊密相關，通過研究人體表面的PMV-PPD和吹風感系數(shù)的分布，說明駕駛員熱感覺良好，室內空氣比較新鮮。