某VAN車乘員艙舒適性仿真分析

摘要：采用CFD仿真方法研究了瞬態(tài)變化的汽車乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境和乘員舒適性。首先通過仿真與試驗對標分析的方法校準了仿真模型，接著用校準后的模型分析了乘員艙內(nèi)氣流流動情況、溫度分布及乘員艙內(nèi)空氣品質(zhì)，最后分析了輻射對乘員艙內(nèi)熱負荷的影響。結(jié)果表明：仿真模型中主副駕頭部溫度隨時間的變化趨勢與試驗值一致，且溫度誤差在1 ℃范圍內(nèi)；乘員頭部以及軀干大部分風速分布較為均勻，溫度適中，空氣較為新鮮，乘員會有較高舒適感，但腿腳部風速過低，溫度高，舒適性較差；增加輻射模型后，乘員頭部溫度較無輻射條件下升高3 ℃。在實際應用中，可通過該仿真方法來精準調(diào)控乘員艙氣流流動和溫度分布，提升乘員乘坐體驗，同時為優(yōu)化汽車空調(diào)系統(tǒng)設計提供有力依據(jù)，對提升產(chǎn)品舒適性方面提供重要參考。

關鍵詞：乘員艙；舒適性；空氣齡；CFD

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-10-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.006

1 前言

乘坐汽車時，車內(nèi)空氣新鮮度、溫度分布及車內(nèi)氣流速度分布是否適宜是決定乘員乘坐舒適度的重要因素。乘員會受到外界太陽輻射、車內(nèi)空氣的溫度與氣流以及座椅熱傳導等因素的影響，人—車—環(huán)境系統(tǒng)是一個集合對流、輻射、蒸發(fā)和傳導等熱交換模型的復雜系統(tǒng)。復雜的人—車—環(huán)境系統(tǒng)和在短時間車內(nèi)不同位置乘員對于熱舒適性的需求，使汽車熱舒適性研究存在一定難度[1-3]。

對乘員艙熱舒適性的研究主要有兩種方法：一種為試驗研究，主要是在環(huán)境倉或室外進行試驗，但該方法需要消耗時間和試驗成本，而且在試驗中溫度測點的數(shù)量有限，不能從有限的測點數(shù)據(jù)中得出完整的流場及溫度場分布;另一種方法是通過CFD仿真計算，模擬實際環(huán)境，通過對乘員艙內(nèi)流場分布進行計算，可得到乘員艙內(nèi)空氣流速及溫度等分布情況，進而分析車內(nèi)熱環(huán)境對乘員熱舒適的影響。

本文在某款VAN車的空調(diào)風道和駕駛艙三維模型的基礎上，加入駕駛員和乘客三維人體模型，對乘員艙內(nèi)流場進行數(shù)值計算。首先通過該VAN在無輻射條件環(huán)境倉中的空調(diào)試驗數(shù)據(jù)來標定乘員艙仿真模型；然后對標定后乘員艙模型內(nèi)部的氣流流動情況、溫度分布、速度分布以及空氣品質(zhì)進行細化分析；最后對該模型施加輻射邊界條件，研究增加輻射條件后對主副駕頭部溫度的影響。

2 仿真模型建立

2.1 數(shù)學模型

本文中采用數(shù)值計算的方法來研究乘員艙中空氣流動及溫度分布，為簡化計算的同時保留較高的計算精度，本文研究過程中作出如下假設：a.乘員艙內(nèi)空氣為不可壓縮流體；b.乘員艙內(nèi)空氣流動狀態(tài)為湍流，且湍流黏性為各向同性；c.乘員艙氣密性好，不存在氣體泄漏；d.考慮太陽輻射時忽略固體壁面間的熱輻射，且乘員艙內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)[4-6]。

2.2 網(wǎng)格模型及邊界條件

本文乘員艙計算模型主要包括空調(diào)風道、出風口（帶格柵）、乘員艙內(nèi)飾、儀表板、座椅及假人。網(wǎng)格建模方法采用風道與駕駛艙分別單獨建模，然后通過在風道的出口和駕駛艙的入口間建立交界面（interface）交換物理量的方式來建立。在前處理軟件Hypermesh中對空調(diào)風道、出風口及格柵進行詳細建模，簡化駕駛艙內(nèi)的內(nèi)飾及細微結(jié)構，對駕駛艙進行封閉處理；將Hypermesh處理后的風道及乘員艙模型導出為nas格式并導入Star-CCM+中，須對導入Star-CCM+中的駕駛艙進行包面和網(wǎng)格重構處理，在Star-CCM+中用泄漏檢測工具檢測駕駛艙內(nèi)部的連通性，確保駕駛艙內(nèi)部是個封閉的空間后進行包面操作，包面的基本尺存設置為5 mm，執(zhí)行間隙封閉功能，最小間隙設置為2.5 mm；包面完成后需要對包面進行面網(wǎng)格重構處理，面網(wǎng)格重構尺寸如表1所示，通過網(wǎng)格無關性檢查，按表1中參數(shù)重構網(wǎng)格可在保證求解精度的同時提升模型計算效率。重構后的乘員艙面網(wǎng)格如圖1所示。

劃分體網(wǎng)格時體網(wǎng)格單元類型使用多面體（Polyhedral）單元，邊界層設置上采用3層、拉伸比1.3，總厚度4 mm，入口、出口及交界面禁止生成邊界層，邊界增長速率選擇中等，最終計算模型總網(wǎng)格數(shù)為300萬左右。

為與該VAN試驗結(jié)果對標，本文采用瞬態(tài)物理模型來計算乘員艙內(nèi)流動情況，流體流動屬于空氣低速流動，為保證湍流模擬的準確性，采用Realizable K-Epsilon湍流模型，施加輻射模型時輻射模型采用S2S模型，人體的熱邊界條件設置為：人體表面均勻散熱，駕駛員散熱量為176 W，副駕乘員散熱量為116 W。入口流量為0.122 kg/s，入口溫度為試驗測得。

3 計算結(jié)果分析

3.1 仿真值與試驗值對標

為校準仿真模型的準確性，須將仿真模型根據(jù)試驗值進行標定。標定模型時為提高效率可采用穩(wěn)態(tài)仿真進行標定，仿真模型中空調(diào)格柵狀態(tài)須與試驗時狀態(tài)一致，提取仿真模型中主副駕頭部溫度，主副駕頭部測點需與試驗測點保持一致，通過調(diào)整仿真模型中乘員艙車體與玻璃的傳熱系數(shù)，使仿真模型中的主副駕頭部測點溫度與試驗值一致，此時標定后的乘員艙仿真模型可用于后續(xù)的乘員艙熱舒適性的研究。

本仿真模型經(jīng)過穩(wěn)態(tài)標定后再進行瞬態(tài)分析驗證，主副駕頭部溫度變化曲線與試驗值的對比結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，仿真模型中主副駕頭部溫度隨時間的變化趨勢與試驗值一致，且溫度誤差在1 ℃范圍內(nèi)，說明本仿真模型有較高的精度，可用來模擬乘員艙內(nèi)的真實空氣流動。

3.2 乘員艙內(nèi)氣流流動情況分析

圖3為乘員艙內(nèi)的氣流流線圖。由圖中可以看出氣流從空調(diào)風道入口流經(jīng)空調(diào)風道和格柵，從空調(diào)出口流入乘員艙中。由于空調(diào)管道中管徑的粗細變化，氣流流速會在管道中被加速，從空調(diào)左出風口流出的氣流會直吹到駕駛員左胳膊上，過冷的氣流直吹到駕駛員胳膊上會使乘員感到不適，中間兩個出風口的氣流直吹到駕駛艙的后背板上，然后一部分經(jīng)由車頂和前擋風回流，這部分回流的低溫空氣會降低整個乘員艙的溫度，會提高乘員舒適性，經(jīng)由乘員腿腳部回流氣流較少，會影響其散熱，對乘員舒適性產(chǎn)生不利影響。由圖4的流速圖可以看出，從空調(diào)出風口吹出的冷風能以不低于2 m/s的速度貫穿整個駕駛艙吹至駕駛艙后背板上；由圖5的乘員面部截面風速分布可以看出，乘員面部截面上分布有較大面積的高于2 m/s的風速，此風速可通過調(diào)整格柵位置吹到乘員身體不同部位，可提高乘員舒適性。

空氣的流速和方向?qū)θ梭w舒適性影響很大，舒適的氣流速度一般為0.25 m/s左右，當氣流速度達到0.15 m/s時，就可以感到空氣清新而產(chǎn)生新鮮感[5]。由圖6所示的乘員表面風速可以看出，主副駕頭部以及軀干大部分風速分布較為均勻，在0.1～0.5 m/s范圍內(nèi)，乘員會有較高舒適感；主駕胳膊及左肩部和副駕上臂風速過高，這是由于仿真時空調(diào)風口格柵處于設計狀態(tài)，可對出風口方向及格柵角度進行調(diào)整，使風量分布更為均勻，提高舒適性；主副駕腿腳部風速過低，舒適性較差。在實際工程應用中，可通過優(yōu)化出風口結(jié)構、格柵結(jié)構以及出風口相對方向盤的布置等，來優(yōu)化乘員艙內(nèi)空氣流動的狀態(tài)以及避免方向盤阻擋空調(diào)出風直吹人臉。

3.3 溫度場分析

由圖7主駕人體對稱截面溫度分布圖可以看出，主駕頭部和軀干周圍空氣溫度在28 ℃左右，舒適性較好，腿部周圍空氣溫度在30 ℃左右，舒適性較差。由圖8主駕人體表面溫度分布可以看出，主駕腳部、手和腿部溫度最高，達到35 ℃左右，其次頭部溫度達到34.5 ℃，軀干的右臂在31～32 ℃之間，感覺較為舒適，左臂受風口直吹的影響，溫度為27 ℃。綜合來看，除腿腳部溫度高感覺不適外，主駕其余部位感覺較為舒適，結(jié)合上文乘員艙內(nèi)空氣流動分析，主要是由于腿部風口出風難以直接吹到且回流風量少引起的。

3.4 空氣品質(zhì)分析

空氣齡評價指標能夠全面評估乘員艙內(nèi)的空氣質(zhì)量，包括新鮮空氣的分布和循環(huán)情況，從而確保乘員艙內(nèi)的空氣始終保持新鮮和清潔?。相較于其他空氣品質(zhì)評價指標如污染物濃度等，空氣齡能夠直接反映空氣從源頭到被吸入人體所經(jīng)歷的時間，從而提供空氣新鮮度的直觀信息，故本文使用空氣齡來評價乘員艙內(nèi)空氣的新鮮度。

圖9展示了空調(diào)中間出風口Y=100 mm截面及主駕人體對稱截面三個截面上的空氣齡分布。由圖中可以看出，從空調(diào)風口流出的風道上空氣齡較低，在5 s以內(nèi)，隨著空調(diào)吹出的氣流撞擊乘員艙后背板向儀表板回流的過程中空氣齡逐漸升高，從主駕人體對稱截面圖上可以明顯看出主駕頭部及軀干附近空氣齡在20 s以內(nèi)，空氣新鮮度較好，前擋風玻璃附近及主駕腿部空氣齡在25 s以上，最差處超過30 s，這是因為這兩處空間空調(diào)出風不能直接吹到，且空調(diào)吹出的氣流撞擊乘員艙后背板的回流氣體在這兩處空間形成渦流，這與上文中乘員艙中氣流流動情況分析一致。

3.5 增加輻射后結(jié)果分析

根據(jù)該VAN車主銷地區(qū)光照特征，設置太陽輻射邊界條件為：輻射強度為直射1 160 W/m2，漫反射800 W/m2，太陽角度為方位角90°，高度角70°。該輻射條件可根據(jù)不同季節(jié)、不同地理位置等工況的光照特征進行實際調(diào)整以滿足開發(fā)需求。增加輻射模型后，太陽輻射照射到車體上會將輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，顯著增加乘員艙內(nèi)的熱負荷。由圖10可以看出，增加輻射后，乘員艙內(nèi)降溫速率與無太陽輻射條件下相當，但在乘員艙內(nèi)溫度穩(wěn)定后增加太陽輻射條件下會比無輻射條件高3 ℃。

4 結(jié)語

本文通過仿真與試驗對標分析的方法，分析了瞬態(tài)變化的汽車乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境和乘員身體各部位的溫度及風速分布，得出以下結(jié)論：

a.建立了乘員艙熱舒適性流體計算模型，并將主副駕頭部溫度的仿真值與試驗值對標，對標結(jié)果顯示模型中主副駕頭部溫度隨時間的變化趨勢與試驗值一致，且溫度誤差在1 ℃范圍內(nèi)。

b.分析了乘員艙內(nèi)氣流流動情況，從空調(diào)出風口吹出的冷風能以不低于2 m/s的速度貫穿整個駕駛艙吹至駕駛艙后背板上，主副駕頭部以及軀干大部分風速分布較為均勻，在0.1～0.5 m/s范圍內(nèi)，乘員會有較高舒適感；但主副駕腿腳部風速過低，舒適性較差。

c.分析了乘員艙溫度分布及空氣品質(zhì)，乘員除腿腳部溫度高感覺不適外，主駕其余部位感覺較為舒適；乘員頭部及軀干附近空氣齡在20 s以內(nèi)，空氣新鮮度較好，腿腳部空氣新鮮度較差，與乘員艙中氣流流動情況一致。

d.增加輻射模型后，乘員艙內(nèi)降溫速率與無太陽輻射條件下相當，但在乘員艙內(nèi)溫度穩(wěn)定后增加太陽輻射條件下會比無輻射條件高3 ℃。

e.未來可通過搭建空調(diào)系統(tǒng)的一維仿真模型，將一維空調(diào)模型與三維乘員艙模型耦合，可對空調(diào)制冷系統(tǒng)及風道及布置進行一體化的優(yōu)化設計，提升乘員艙乘坐體驗。

參考文獻：

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作者簡介

盧德釗，男，1993年生，工程師，研究方向為計算流體動力學仿真。