劉 勇，馬 力，李綺文

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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280 t礦用車駕駛室空調(diào)系統(tǒng)流場(chǎng)仿真分析

劉 勇，馬 力，李綺文

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

建立了280 t礦用車空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道的有限元模型，對(duì)不同進(jìn)風(fēng)口流速情況下的各出風(fēng)口流速進(jìn)行了仿真計(jì)算，選擇了較為合理的進(jìn)風(fēng)口流速。簡(jiǎn)化駕駛室整體模型，按照所選擇的進(jìn)風(fēng)口流速對(duì)駕駛室流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真，并分析了主駕駛座和副駕駛座附近中性面，以及駕駛員面部附近橫向平面的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)駕駛室空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果符合人體舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

礦用車；駕駛室；空調(diào)系統(tǒng)；流場(chǎng)；溫度場(chǎng)

大型礦用車作業(yè)環(huán)境惡劣，行駛路況復(fù)雜，作業(yè)時(shí)間長，因此保證駕駛員的舒適性非常重要。駕駛室內(nèi)溫度和氣流是影響駕駛員舒適性的重要因素，而這種影響可以通過對(duì)駕駛室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)控來進(jìn)行。在駕駛室設(shè)計(jì)中，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真分析對(duì)提高車輛舒適性有很大作用，目前國內(nèi)有關(guān)駕駛室流場(chǎng)方面的研究主要針對(duì)普通轎車和小型貨車[1-3]，也有針對(duì)高速列車的研究[4]，雖然對(duì)于大型礦用車具有一定的借鑒意義，但200 t以上的大型礦用車屬于特種車輛，其駕駛室結(jié)構(gòu)、空調(diào)布置形式、風(fēng)道設(shè)計(jì)等方面與轎車、客車有較大區(qū)別。因此筆者運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)和人機(jī)工程學(xué)原理對(duì)280 t礦用車駕駛室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，選取合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，確保所設(shè)計(jì)的駕駛室能滿足人體舒適性要求，節(jié)省了設(shè)計(jì)成本并為同類駕駛室空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 風(fēng)道流場(chǎng)仿真分析

經(jīng)匹配計(jì)算，280 t大型礦用車空調(diào)系統(tǒng)需要的制冷量為4 000 W，空調(diào)風(fēng)機(jī)流量為400 m3/h,空調(diào)功耗為3 000 W，最終選擇某公司的空調(diào)設(shè)備。欲對(duì)駕駛室在空調(diào)作用下的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真分析，首先要進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計(jì)和仿真分析，這樣不僅可確定較合理的進(jìn)風(fēng)口流速，而且可為駕駛室流場(chǎng)仿真分析提供數(shù)據(jù)和邊界條件。

1.1 風(fēng)道三維模型的建立

風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)要考慮其具體結(jié)構(gòu)和制造工藝對(duì)制冷和制熱效果的影響,選擇合理的風(fēng)道結(jié)構(gòu)以減少流體能量損失,減少能源消耗。一般汽車的空調(diào)風(fēng)道制造工藝采用鑄造成型，而出于對(duì)品種多、批量小、變型快的特種車輛特殊要求的適應(yīng)性考慮，設(shè)計(jì)的空調(diào)風(fēng)道采用管件安裝。設(shè)計(jì)的280 t礦用車駕駛室空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道三維模型如圖1所示，各出風(fēng)口形狀和面積參數(shù)如表1所示。

1、6—側(cè)面玻璃的除霧出風(fēng)口；2、3、5、7—風(fēng)道出風(fēng)口；4—前擋風(fēng)玻璃的除霧出風(fēng)口；8、9—風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口圖1 空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道三維模型

1.2 風(fēng)道網(wǎng)格劃分和邊界條件確定

首先需要將風(fēng)道三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化并將簡(jiǎn)化后的風(fēng)道模型導(dǎo)入到ANSYS ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法劃分網(wǎng)格，這樣的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自適應(yīng)較好。根據(jù)所創(chuàng)建風(fēng)道模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用四面體網(wǎng)格robust劃分方法進(jìn)行風(fēng)道全局網(wǎng)格的劃分，進(jìn)出口位置和過度位置的網(wǎng)格宜較密，以更好地模擬真實(shí)流場(chǎng)情況。風(fēng)道網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖2所示。

表1 進(jìn)出風(fēng)口面積參數(shù)

圖2 風(fēng)道網(wǎng)格劃分后的有限元模型

按照?qǐng)D1的編號(hào)順序依次定義出風(fēng)口，分別為out_1、out_2、out_3、out_4、out_ 5、out_6、out_7，其他表面定義為Wall。假定風(fēng)道管道內(nèi)是標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣，不考慮風(fēng)道管件的熱傳導(dǎo)和熱輻射，風(fēng)道各個(gè)連接位置的密封性能良好。將風(fēng)道中空氣看作不可壓縮的理想氣體，其空氣密度為1.225 kg/m3，空氣比熱容Cp為1.006 kJ/(kg·K)，熱傳導(dǎo)率為0.024 W/(m·K)，同時(shí)選擇常用的Standard k-epsilon標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，采用Navier-Stokes方程進(jìn)行模擬風(fēng)道的數(shù)值模型，選擇用于處理不可壓縮的低速流體的壓力隱式求解器進(jìn)行求解[5]。

送風(fēng)口的流速由壓縮機(jī)的排量和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，根據(jù)駕駛室空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)的排量、轉(zhuǎn)速和進(jìn)風(fēng)口的截面積，分別設(shè)定進(jìn)風(fēng)流速為2 m/s、3 m/s、5 m/s，國家規(guī)定空調(diào)系統(tǒng)的車內(nèi)干球溫度為27±1℃，濕球溫度為19.5±1℃。筆者設(shè)定進(jìn)風(fēng)口溫度為293.15 K，將風(fēng)道7個(gè)出風(fēng)口都設(shè)定為壓力出口，即出風(fēng)口的壓力值接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。將風(fēng)道的管件部件設(shè)定為壁面邊界Wall，風(fēng)道內(nèi)的空氣在短距離內(nèi)不會(huì)發(fā)生過多的能量損失。

1.3 風(fēng)道仿真及結(jié)果分析

筆者研究的是空調(diào)系統(tǒng)對(duì)駕駛員舒適性的影響，因此在研究風(fēng)道流場(chǎng)時(shí)只對(duì)影響駕駛員舒適度的出風(fēng)口流速進(jìn)行分析，即選擇out_2、out_3、out_5進(jìn)行研究，不同進(jìn)風(fēng)口流速下各出風(fēng)口的平均出風(fēng)速度如表2所示。不同進(jìn)風(fēng)口流速下各出風(fēng)口截面的流體速度云圖如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口流速為5 m/s時(shí)，3個(gè)出風(fēng)口的流速均較大，長時(shí)間高流速的冷風(fēng)會(huì)對(duì)駕駛員身體健康造成影響，并且會(huì)造成能量的浪費(fèi)；當(dāng)入風(fēng)口流速為2 m/s時(shí)，3個(gè)出風(fēng)口的流速較小，不宜對(duì)礦用自卸車進(jìn)行快速降溫。對(duì)比表2數(shù)據(jù)可以得出在3 m/s的進(jìn)風(fēng)速度時(shí)，出風(fēng)的速度符合快速降溫和人體舒適性的要求。

表2 不同進(jìn)風(fēng)口流速下各出風(fēng)口的平均出風(fēng)速度

2 駕駛室流場(chǎng)模型的建立

2.1 駕駛室有限元模型的建立

駕駛室內(nèi)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)飾和設(shè)備較多，在劃分網(wǎng)格之前進(jìn)行模型的合理簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型如圖4所示。

用 ANSYS ICEM CFD對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分之前需先定義各個(gè)面的名稱，以方便邊界條件的施加。駕駛室前擋風(fēng)玻璃可以分為3塊，為方便后處理，分別定義3塊玻璃為前右、前中、前左。劃分網(wǎng)格時(shí)，將風(fēng)道出風(fēng)口處的網(wǎng)格定義得較密，其余位置可定義得較稀，以減小網(wǎng)格計(jì)算規(guī)模，網(wǎng)格劃分后的駕駛室有限元模型如圖5所示。

2.2 邊界條件處理

駕駛室內(nèi)的流場(chǎng)可看作是不可壓縮的理想氣體，因?yàn)樯婕澳芰康膫鬟f，所以啟用能量方程，其中空氣密度為1.225 kg/m3，空氣比熱容Cp為1.006 kJ/(kg·K)，熱傳導(dǎo)率為0.024 W/(m·K)，將這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，求解器選擇基于壓力隱式求解器，同樣選擇常用的Standard k-epsilon湍流模型[6]。根據(jù)駕駛室所選擇各種玻璃的材料參數(shù)，將內(nèi)外溫差設(shè)定在20 K，各擋風(fēng)玻璃邊界條件設(shè)定如表3所示。

太陽輻射主要通過玻璃傳入駕駛室內(nèi)，從而干擾內(nèi)流場(chǎng)流體運(yùn)動(dòng)，而其余各壁采用隔熱材料進(jìn)行填充，傳熱系數(shù)較小。假設(shè)各壁均勻傳導(dǎo)熱能，取定熱流系數(shù)為44 W/m2；考慮到人體的發(fā)熱量，同樣采用定熱流邊界，取熱流系數(shù)為22 W/m2，將這部分的熱量加載到座椅位置來計(jì)算。

圖3 各進(jìn)風(fēng)口流速下的出風(fēng)口截面流體速度云圖

圖4 駕駛室簡(jiǎn)化模型 圖5 駕駛室有限元模型

表3 各擋風(fēng)玻璃邊界條件設(shè)定

筆者研究的駕駛室內(nèi)流場(chǎng)是基于空調(diào)壓縮機(jī)流速為3 m/s的情況，上述風(fēng)道出風(fēng)口在研究駕駛室流場(chǎng)時(shí)變?yōu)轳{駛室進(jìn)風(fēng)口，根據(jù)風(fēng)道的有限元模型可得到在風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口流速為3 m/s情況下各駕駛室進(jìn)風(fēng)口的流速情況，各駕駛室進(jìn)風(fēng)口的流速如表4所示。在駕駛員腳部附近設(shè)定一個(gè)回風(fēng)口，因?yàn)榛仫L(fēng)口的具體尺寸位置目前難以設(shè)定，筆者假設(shè)回風(fēng)口處沒有回流現(xiàn)象，不存在層流干擾，將其簡(jiǎn)化為一個(gè)較小的矩形，邊界類型為壓力出口。

表4 駕駛室各進(jìn)風(fēng)口的流速情況

3 駕駛室數(shù)值模擬計(jì)算和分析

經(jīng)過計(jì)算得到駕駛室的流場(chǎng)結(jié)果云圖，設(shè)定主駕駛座位的中性面X=-462和副駕駛座位的中性面X=300來觀察駕駛員和副駕駛附近流場(chǎng)的流速情況和溫度分布，如圖6和圖7所示。由圖6可知駕駛員頭部局域附近有較為微弱的流動(dòng)，流速約為0.3 m/s，腳部附近流速約為1 m/s；由圖7可知副駕駛腳部附近有較大流動(dòng)，流速約為2.2 m/s。在空調(diào)室內(nèi)，氣流速度不宜過大，以免使人體尤其是頭部受到激烈風(fēng)速產(chǎn)生不適，因此氣流速度在0.2～0.4 m/s為宜，而副駕駛腳部設(shè)有回風(fēng)口，流速較快，符合真實(shí)的情況，較大的流速可以加快駕駛室內(nèi)的換氣，從而提高整個(gè)駕駛室的空氣質(zhì)量，保證其環(huán)境的舒適性。

圖6 駕駛員附近中性面流速云圖

圖7 乘員附近中性面流速云圖

圖8和圖9分別為駕駛員附近中性面和乘員附近中性面的溫度云圖，從圖8和圖9可見，前擋風(fēng)玻璃附近的溫度明顯高于其他地方，這是因?yàn)轳{駛室前擋風(fēng)玻璃為主要輻射傳遞介質(zhì)，這與實(shí)際相符，整個(gè)駕駛室的平均溫度約為300 K，駕駛室底部溫度較上部高，符合“頭涼腳暖”的要求[7]。

圖8 駕駛員附近中性面溫度云圖

圖9 乘員附近中性面溫度云圖

取駕駛室的橫向截面Z=396來觀察空調(diào)在駕駛員和乘員面部平面的流速和溫度分布情況，分別如圖10和圖11所示。由圖10可知，整個(gè)平面流速分布較為均勻，在副駕駛上部和駕駛室中部區(qū)域有渦流現(xiàn)象，流速在1 m/s左右。由圖11可知，整個(gè)駕駛室在該平面的溫度也相對(duì)均勻，在渦流區(qū)域相對(duì)其他地方溫度低1～2 K，這是由進(jìn)風(fēng)口的送風(fēng)形式產(chǎn)生的，其他地方的流速和溫度分布都基本滿足駕駛員和乘員的舒適性要求，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果明顯。

圖10 駕駛員和乘員面部附近的空氣流速云圖

圖11 駕駛員和乘員面部附近溫度分布云圖

4 結(jié)論

對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值分析，通過對(duì)比流體仿真得到不同進(jìn)風(fēng)條件下的風(fēng)道出風(fēng)情況，得到了舒適性較好的進(jìn)風(fēng)口流速。按照所得到的進(jìn)風(fēng)口流速對(duì)整個(gè)駕駛室的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到280 t礦用自卸車駕駛室室內(nèi)不同截面的流體速度和溫度分布情況，較好地滿足人體舒適性，可以為同類駕駛室的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

[1] 王曉明，趙又群．不同進(jìn)風(fēng)口方式下汽車流場(chǎng)模擬研究[J]．汽車科技，2009(9)：38-40.

[2] 申緒兵．微型面包車車室溫度場(chǎng)仿真技術(shù)研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2000.

[3] 孟慶超．汽車車身室內(nèi)流場(chǎng)與空氣品質(zhì)研究[D]．長沙：湖南大學(xué)，2007.

[4] 劉杰，李人憲，陳琳，等．高速列車空調(diào)系統(tǒng)及車內(nèi)流場(chǎng)分析[J]．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(2)：127-132.

[5] 李秀芬，黃妙華．微型電動(dòng)車車室氣流流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]．輕型汽車技術(shù)，2006(9)：11-15.

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[7] 盧小平，余躍進(jìn)，張川燕．室內(nèi)機(jī)位置對(duì)室內(nèi)熱舒適影響數(shù)值模擬分析[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008(4)：67-69.

LIU Yong:Postgraduate; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Simulation and Analysis on Flow Field of Air Conditioning System of 280 Tons Mine Truck Cab

LIUYong,MALi,LIQiwen

The finite element model of air conditioning duct system of the 280 tons mine truck was established. The air outlet velocity was calculated by simulation under the condition of different air inlet velocity. Then the reasonable air inlet velocity was obtained. The overall model of the cab was simplified; and the flow field and temperature field were simulated by the choose of the air inlet velocity. The flow field and temperature field near the neutral plane and the lateral plane near the driver's seat and the driver's face were analyzed. The simulation results indicate that the cooling effect of the air conditioning system of the cab is in accord with the evaluation index of human comfort.

mine truck; cab; air conditioning system; flow field; temperature field

2015-07-18.

劉勇(1990-)，男，湖北鄂州人，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院碩士研究生.

2095-3852(2015)06-0860-05

A

TB657.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.043