電動汽車冬季乘員艙熱環(huán)境分析

鄧 昱，霍為煒，2，3，成亞仙，趙 理，2，3

（1.北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100192；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100192；3.新能源汽車北京實驗室，北京 100192）

1 引言

里程焦慮是限制純電動汽車發(fā)展的一個主要問題。相較于傳統(tǒng)燃油汽車，純電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)主要能量來源于動力電池，作為動力電池的主要負(fù)載之一，空調(diào)系統(tǒng)使用所產(chǎn)生的能耗往往會導(dǎo)致電動汽車?yán)m(xù)駛里程降低（18～53.7）%[1]。隨著計算機性能的提高以及仿真分析軟件的開發(fā)，乘員艙的熱仿真分析被越來越多的研究者用于指導(dǎo)高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)，從而提高純電動汽車的續(xù)駛里程，是目前純電動汽車熱管理的重要研究方向之一。車輛的乘員艙相對狹小封閉，乘坐的熱舒適性直接取決于乘員艙的內(nèi)部熱環(huán)境。乘員艙內(nèi)部熱環(huán)境變化主要影響因素包括車身設(shè)計、環(huán)境溫度、車身材料的隔熱性、車窗材料的光學(xué)特性等。因此，國內(nèi)外研究者從車身設(shè)計出發(fā)，對空調(diào)出風(fēng)口布置、空調(diào)送風(fēng)參數(shù)等做了許多研究，降低乘員艙內(nèi)部熱負(fù)荷，從而減輕空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

文獻(xiàn)[3]研究比較了太陽輻射和玻璃特性對乘員艙內(nèi)氣流和溫度分布的影響，另外分析了不同模型的仿真差異性。文獻(xiàn)[4]設(shè)計了十二種不同送風(fēng)參數(shù)的模擬方案，通過對乘員艙內(nèi)的溫度分布、空氣流速分布的分析，研究了不同送風(fēng)溫度、風(fēng)量、角度對乘員艙內(nèi)熱流場、人體熱舒適性以及空調(diào)冷負(fù)荷的影響，并以空調(diào)冷負(fù)荷作為節(jié)能型指標(biāo)進(jìn)行能耗對比。文獻(xiàn)[5]結(jié)合現(xiàn)有空調(diào)送風(fēng)口結(jié)構(gòu)形式設(shè)計了三種汽車局部空調(diào)送風(fēng)口結(jié)構(gòu)，并與普通汽車空調(diào)工況中熱舒適性較好的一種工況進(jìn)行了對比。

結(jié)果表明，頂置送風(fēng)口及側(cè)置送風(fēng)口組合供風(fēng)的情況下，熱舒適性以及經(jīng)濟性較好。文獻(xiàn)[6]將人體視為均質(zhì)熱源，在考慮太陽輻射以及人體與環(huán)境傳熱的情況下，編寫了UDF 對人體和乘員艙表面溫度、空氣流速、吹風(fēng)感以及PMV?PDD 值的分布情況進(jìn)行模擬，對比分析了不同邊界條件設(shè)置對人體表面溫度的影響。

文獻(xiàn)[7]結(jié)合試驗與仿真，得到乘員艙內(nèi)溫度、速度分布的不均勻度，基于stolwijk人體熱調(diào)節(jié)模型，對比分析了兩種送風(fēng)方式下的人體熱舒適性。文獻(xiàn)[8]引用人體熱條件模型，對不同送風(fēng)溫度，送風(fēng)速度，送風(fēng)角度的12種工況進(jìn)行了仿真計算，分析了不同送風(fēng)參數(shù)對轎車室內(nèi)流場的影響規(guī)律。

基于CFD對乘員艙流暢進(jìn)行仿真分析，得到乘員艙內(nèi)部溫度場，為了給仿真研究數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)支撐，以某純電動乘用車為試驗車輛進(jìn)行了試驗，采集空間點的溫度作為狀態(tài)參考量。并在相同風(fēng)速、送風(fēng)溫度的情況下，對比分析不同出風(fēng)口角度對乘員艙熱環(huán)境的影響。

2 試驗設(shè)計

試驗時間為11 月29 日中午12 點到16 點。試驗車輛停放在水平路面。試驗開始前應(yīng)當(dāng)檢驗車窗、車門是否處于密閉狀態(tài)。

試驗使用溫度傳感器對前排座椅、儀表盤、前擋風(fēng)玻璃、后排座椅等多個空間點進(jìn)行溫度采集，使用XSR40?MS2V0無紙記錄儀對傳感器溫度進(jìn)行讀取和采集，溫度傳感器布置，如圖1所示。

圖1 乘員艙內(nèi)部溫度傳感器布置Fig.1 Arrangement of Temperature Sensors Inside the Passenger Compartment

試驗流程如下：

（1）開啟空調(diào)至乘員艙內(nèi)氣溫達(dá)到20℃，關(guān)閉空調(diào)開始降溫沉浸，由于室外氣溫較低，當(dāng)溫度傳感器數(shù)值穩(wěn)定且保持5min時，認(rèn)為乘員艙達(dá)到熱平衡狀態(tài)；

（2）設(shè)置空調(diào)風(fēng)速、溫度及出風(fēng)口角度等參數(shù)；

（3）開啟空調(diào)進(jìn)行升溫試驗，當(dāng)溫度傳感器數(shù)值穩(wěn)定且保持5min時，認(rèn)為乘員艙達(dá)到熱平衡狀態(tài)，記錄試驗數(shù)據(jù)；

（4）試驗結(jié)束后重復(fù)步驟一操作，當(dāng)乘員艙再次沉浸后開始下一輪試驗。

3 模型的建立

基于三維CFD對乘員艙內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析。經(jīng)典CFD采用有限體積法，將流體區(qū)域離散處理成有限個具有一定體積的計算單元，整個流場空間內(nèi)的計算單元構(gòu)成仿真計算網(wǎng)格，然后根據(jù)設(shè)置的邊界條件采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計算方法對網(wǎng)格各個單元的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程進(jìn)行數(shù)值求解，計算出各個單元上的流體溫度、速度、壓強等物理特征、最終以離散單元上的物理量表征整個連續(xù)流域的物理特性[9]。不同的邊界條件設(shè)定、網(wǎng)格數(shù)量多少、網(wǎng)格質(zhì)量高低對CFD仿真的結(jié)果都有十分重要的影響。

3.1 數(shù)值計算模型

當(dāng)空氣流速低于當(dāng)?shù)?/3聲速時，流體可當(dāng)作不可壓縮流氣體，因此本研究乘員艙內(nèi)空氣被認(rèn)為是不可壓縮流氣體，比熱容、粘性為定值。其傳熱跟流動過程受質(zhì)量、動量、能量守恒方程控制。在笛卡爾坐標(biāo)系下，車內(nèi)流場控制方程以張量的形式可以描述為：

式中：U—流體速度；u、v、w—U在x、y、z方向上的速度分量；P—計算單元上的壓強；r—空氣的流動粘度；T、ρ、Cp—單元內(nèi)的溫度、密度和比熱容；Q—流體內(nèi)的能量源轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的能量。

假設(shè)乘員艙內(nèi)空氣為理想氣體，我們可以補充其狀態(tài)方程進(jìn)行求解：

式中：R—摩爾氣體常數(shù)。

3.2 湍流模型

湍流是流體在流域內(nèi)的一種極其復(fù)雜的空間瞬態(tài)不規(guī)則流動狀態(tài)。當(dāng)流體處于湍流狀態(tài)時，將會隨機地生成無數(shù)擁有不同方向尺寸的渦旋，從而導(dǎo)致流體速度、溫度和壓強等流場特征變量的脈動響應(yīng)[11]。

動量方程被稱為Navier?Stokes 方程（簡稱N?S方程），能準(zhǔn)確對湍流流動細(xì)節(jié)進(jìn)行描述，但是計算量過大。目前湍流數(shù)值求解方法常分為三類：直接數(shù)值模擬（Direct Numerical Simulation，簡稱DNS）、大渦模擬（Large Eddy Simulation，簡稱LES）、雷諾時均法（Reynolds Average Navier?Stokes，簡稱RANS）。

DNS和LES的方法計算壓力相較于RANS要大得多，RANS采用時均的方法，計算壓力較小且能滿足實際應(yīng)用的需求，因此RANS是目前常用的數(shù)值模擬方法。

選用RNG k?ε 模型對乘員艙內(nèi)部流場及傳熱進(jìn)行計算。RNG k?ε模型相比其他湍流模型在旋轉(zhuǎn)流、分離流、模擬圓形射流、平面擴散速度以及帶有方向的壓強邊界層計算等方面都更為準(zhǔn)確。

3.3 三維模型的建立以及網(wǎng)格劃分

以試驗車輛尺寸為建立模型，為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，提高仿真精度，對乘員艙內(nèi)部復(fù)雜特征進(jìn)行了簡化，保留乘員艙內(nèi)主要部件特征。

將Creo建立模型導(dǎo)入ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因為乘員艙內(nèi)部特征較為復(fù)雜，因此網(wǎng)格劃分方法采用四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，考慮到計算量的問題，對速度入口、人體模型等重點檢測部位進(jìn)行網(wǎng)格加密，體網(wǎng)格數(shù)量為900083，如圖2所示。網(wǎng)格劃分后需要對邊界條件進(jìn)行設(shè)置，主要的邊界條件有：入口邊界、出口邊界、固體壁面邊界等。

圖2 乘員艙網(wǎng)格模型Fig.2 Passenger Compartment Mesh Model

4 熱沉浸過程穩(wěn)態(tài)計算

本研究在不考慮太陽輻射的情況下對乘員艙熱環(huán)境進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解?；贔luent 軟件模擬乘員艙內(nèi)部流場瞬態(tài)響應(yīng)過程。固體壁面的溫度常設(shè)定為恒定值，根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)對各固體壁面進(jìn)行初始溫度標(biāo)定，空調(diào)入口不出風(fēng)，當(dāng)仿真過程中溫度不再變化時認(rèn)為此時乘員艙溫度為沉浸狀態(tài)。

空調(diào)出風(fēng)口溫度為27.5℃，風(fēng)速6m/s情況下，試驗結(jié)束后的采樣點仿真與試驗溫度對比圖，如圖3（a）所示。圖中可以看出，試驗溫度與仿真溫度差距較小，最大溫差點在后排座椅采樣點為1.47℃，誤差為7.35%。

圖3 試驗與仿真溫度對比圖Fig.3 Comparison Chart of Test and Simulation Temperature

空調(diào)出風(fēng)口溫度為25℃，風(fēng)速6m/s情況下，試驗結(jié)束后的采樣點仿真與試驗溫度對比圖，如圖3（b）所示。

圖中可以看出，試驗溫度與仿真溫度差距較小，最大溫差點在駕駛員座椅采樣點為1.18℃，誤差為5.9%。由此可見，在冬季條件下，模型具有較好的普適性。

5 結(jié)果分析

仿真過程中乘員艙Y方向駕駛員平面溫度分布，如圖4 所示。采樣時間分別為0s，50s，100s，200s，400s，800s，1200s，1800s。

圖4 乘員艙Y方向駕駛員截面溫度分布云圖Fig.4 Temperature Distribution Nephogram of Driver Section in Y?Direction of Passenger Compartment

開啟空調(diào)后30min，車內(nèi)氣溫從初始設(shè)定溫度12℃開始升溫。在升溫過程中，乘員艙各區(qū)域溫度分布存在明顯的非均勻性。

空調(diào)工作50s后，乘員艙靠近出風(fēng)口的區(qū)域出現(xiàn)明顯的溫度上升，但是后排部分受影響較小。

空調(diào)工作100s后，后排部分也開始有溫度的上升，在空調(diào)工作400s后，乘員艙整體有了明顯的溫度提升，工作800s后，乘員艙基本上整體達(dá)到舒適溫度，且往后溫度不再有明顯的溫升，其均勻性隨空調(diào)的工作進(jìn)一步提高，逐漸達(dá)到熱平衡。

5.1 熱舒適性主觀評價理論基礎(chǔ)

目前應(yīng)用最為廣泛的熱舒適性評價指標(biāo)是丹麥學(xué)者Fanger教授提出的PMV?PPD（Predicted Mean Vote Predicted Percent‐age Dissatisfied，即平均投票預(yù)測和不滿意百分比）熱舒適性評價方法[12]。

PMV 評價指標(biāo)參考變量包括環(huán)境溫度、平均輻射溫度、相對濕度、平均風(fēng)速、著衣量、著衣量。將人體熱感覺分為7個階段。

表1 PMV熱感覺評價指標(biāo)Tab.1 PMV Thermal Sensory Evaluation Index

根據(jù)ISO7730 標(biāo)準(zhǔn)對PMV 的推薦值為?0.5

PMV表達(dá)式如下：

式中：M—體表的代謝率；W—人體所做機械功；H—體表面對流、輻射熱損失；Ee—皮膚上的散熱和出汗散熱量；Cres—呼吸中的顯熱損失量；Eres—呼吸中的潛熱損失量。

PMV忽略了人群個體差異，在某些大部分人覺得屬實的熱環(huán)境中儲存在小部分人感覺不滿意，因此Fanger 教授又提出了PPD指標(biāo)[14]，其表達(dá)式如下：

5.2 溫度分布對比分析

在保證其他仿真參數(shù)一致的情況下，將吹風(fēng)口角度進(jìn)行調(diào)整，分別設(shè)置為?30°、0°、30°、60°。

選取乘員艙駕駛員中心平面作為參考，對多種出風(fēng)口角度下溫度分布進(jìn)行對比分析，如圖5所示。

圖5 各出風(fēng)口角度乘員艙駕駛員平面溫度分布云圖Fig.5 Temperature Distribution Nephogram of Driver Section of Passenger Compartment at Various Air Outlet Angles

由圖可知，出風(fēng)口角度為0°、30°、60°時乘員艙整體沉浸溫度相近，而當(dāng)出風(fēng)口角度為?30°時，后排乘坐空間沉浸溫度較低。當(dāng)吹風(fēng)角度為30°、60°時在駕駛員頭部到乘員艙頂部空間形成高溫區(qū)域，出風(fēng)口角度為?30°時在駕駛員腹部形成高溫區(qū)域，在出風(fēng)口角度為0°時，整體溫度分布相較于其他三種情況較為均勻。

將乘員艙分成六個區(qū)域，分別為駕駛艙區(qū)域，副駕駛區(qū)域，乘員艙頂部區(qū)域，副駕駛后排乘客區(qū)域、駕駛艙后排乘客區(qū)域，后排中間乘客區(qū)域。在相應(yīng)區(qū)域取多個采樣點并求得相關(guān)區(qū)域平均溫度。各出風(fēng)口角度各區(qū)域平均溫度對比，如圖6所示。

圖6 乘員艙各出風(fēng)口角度各區(qū)域溫度對比圖Fig.6 Comparison Chart of the Temperature of Each Air Outlet Angle of Passenger Compartment

由圖可知，當(dāng)吹風(fēng)口角度為0°和?30°各區(qū)域溫度分布較為均勻，但是吹風(fēng)口角度為0°時乘員艙整體溫度高，最高溫差出現(xiàn)在駕駛艙后排乘客區(qū)域，最大溫差達(dá)2.96℃。吹風(fēng)口角度為30°和60°時，駕駛艙及駕駛員頭部到乘員艙頂部區(qū)域溫度遠(yuǎn)高于其他兩種情況。吹風(fēng)角度為60°時溫度分布均勻性最差，最大溫差達(dá)到7.7℃。

5.3 空氣流速對比分析

空氣流速也是評價駕駛員舒適性的重要指標(biāo)。通過對乘員艙駕駛員平面空氣流速的比較，對兩種情況下乘員艙溫度分布出現(xiàn)差異性的原因進(jìn)行進(jìn)一步分析，不同出風(fēng)口角度下，空氣流速分布云圖，如圖7所示。

圖7 各出風(fēng)口角度乘員艙駕駛員平面空氣流速云圖Fig.7 Air velocity Nephogram of Driver Section of Passenger Compartment at Various Air Outlet Angles

出風(fēng)口角度為0°和?30°時，乘員艙整體空氣流速表現(xiàn)為較低的速度，空氣流速較高的區(qū)域主要集中在駕駛員的胸腹部，而出風(fēng)口角度為30°和60°情況下，在駕駛員頭部以及頭部到乘員艙頂部區(qū)域形成了空氣流速較高的區(qū)域。

空氣流速也是乘員艙舒適性的重要影響因素，因此同樣將乘員艙分為多個區(qū)域并進(jìn)行采樣，求各區(qū)域平均空氣流速。各出風(fēng)口角度各區(qū)域平均空氣流速對比，如圖8所示。

圖8 乘員艙各出風(fēng)口角度各區(qū)域平均空氣流速對比圖Fig.8 Comparison Chart of the Temperature of Each Air Outlet Angle of Passenger Compartment

由圖可知，當(dāng)出風(fēng)口角度與水平夾角為?30°時，高空氣流速主要出現(xiàn)在副駕駛區(qū)域，出風(fēng)口角度與水平夾角為30°跟60°時，駕駛員區(qū)域跟駕駛員頭頂?shù)匠藛T艙頂部區(qū)域空氣流速遠(yuǎn)高于其他兩種情況，當(dāng)出風(fēng)口角度與水平夾角為0°時，在后排中間乘客區(qū)域出現(xiàn)最高平均風(fēng)速，為1.1。

結(jié)合以上溫度分布以及空氣流速，根據(jù)PMV?PPD評價指標(biāo)對乘員艙內(nèi)熱舒適性進(jìn)行評估，并對不同出風(fēng)口角度下乘員艙熱舒適性進(jìn)行對比分析。乘員艙各出風(fēng)口角度各區(qū)域PMV值，如表2所示，PPD值，如表3所示。

表2 乘員艙各出風(fēng)口角度各區(qū)域PMV值Tab.2 PMV Value in Each Area of Each Air Outlet Angle

表3 乘員艙各出風(fēng)口角度各區(qū)域PPD值Tab.3 PPD Value in Each Area of Each Air Outlet Angle

當(dāng)出風(fēng)口角度為?30°和60°時，二者在副駕駛區(qū)PMV值高于0.5，不滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)。

出風(fēng)口角度為0°跟30°時，二者PMV值較為接近，但是由于30°時駕駛員面部風(fēng)速較大，超過2m/s，出風(fēng)口角度為0°時，駕駛員面部風(fēng)速僅有0.3m/s，而人在風(fēng)速為0.25m/s 時舒適性最高，因此認(rèn)為當(dāng)出風(fēng)口角度為0°時擁有較高的舒適性。

6 結(jié)論

（1）進(jìn)行實車試驗，獲取乘員艙采樣點溫度數(shù)據(jù)，驗證乘員艙仿真模型的有效性。

（2）在不考慮太陽輻射的情況下，對乘員艙熱環(huán)境進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。

模擬得到乘員艙的溫度分布以及空氣流速并對其進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)空氣流速越快的區(qū)域沉浸溫度越高。

（3）不同出風(fēng)口的出風(fēng)角度對乘員艙熱舒適性有較大的影響。

對比四種出風(fēng)口角度下的溫度分布以及空氣流速，吹風(fēng)口角度為0°和30°都擁有較高的熱舒適性，由于出風(fēng)口角度30°時駕駛員面部風(fēng)速過高，因此認(rèn)為出風(fēng)口角度為0°時舒適性最高。