周柯，胡廣地，郎曉玥

基于送風參數(shù)的純電動公交車內(nèi)速度場和溫度場分析＊

周柯，胡廣地，郎曉玥

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 630031）

結合純電動公交車設計圖紙與國家標準成年人體尺寸統(tǒng)計數(shù)據(jù)，構建了滿載乘客的車廂全尺寸幾何模型。根據(jù)車廂各部分傳熱特點設置合理的邊界條件，選取標準k-ε湍流模型，通過FLUENT軟件，對送風速度和溫度2種種送風參數(shù)7種采暖工況進行了仿真計算。結果表明，受人體、座椅和臺階影響，車廂內(nèi)不同區(qū)域流場分布結構形式有較大差別，送風速度增大車廂內(nèi)的氣流混合更為均勻；送風溫度變化時車廂內(nèi)流場分布變化較小，整個車廂內(nèi)溫度沿X軸方向逐漸上升；車廂過道的空氣溫度顯然高于靠窗側。研究結果對純電動公交車送風參數(shù)的優(yōu)化合進一步改善氣流組織都具有一定的參考價值。

純電動公交車；送風參數(shù)；氣流組織；溫度場

CLC NO.: U453.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-112-04

前言

隨著公共交通的發(fā)展，人們在公交車內(nèi)度過的時間增多，車內(nèi)環(huán)境質(zhì)量越來越重要。為了駕乘人員健康和身心舒暢，車廂內(nèi)必須有一個良好的氣流組織。公交車內(nèi)人員密度和空間都較大，設置合理的送風參數(shù)更為重要。車內(nèi)環(huán)境不舒適，司機精神狀態(tài)容易不好，嚴重時可能引起操作失誤，造成交通事故[1,2]。

傳統(tǒng)的汽車空調(diào)設計一般采用試驗法，即建造一個車廂內(nèi)環(huán)境模擬實驗室（環(huán)境倉），按照相關標準設置環(huán)境條件，通過儀器測量重要位置的空氣速度和溫度，評價空調(diào)系統(tǒng)的好壞[3]。這種優(yōu)化設計方案的方法效果不錯，但整個試驗周期長，且花費高。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，目前設計汽車空調(diào)系統(tǒng)時，研究人員廣泛采用計算流體動力學（CFD，Computational Fluid Dynamics）進行數(shù)值模擬計算[4,5]。用CFD技術做空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化速度快，成本低。在數(shù)據(jù)資料齊全的情況下，其模擬結果可以用于工程設計。

目前國內(nèi)外對汽車車廂內(nèi)流場和溫度場的數(shù)值模擬研究主要集中在轎車，仿真工況絕大多數(shù)為夏季。冬季和夏季情況區(qū)別較大。本文基于FLUENT軟件，運用CFD技術對純電動公交車車廂內(nèi)氣流組織進行了深入的研究和分析，得出合理的送風參數(shù)，可以為將來的相關研究提供幫。

1 模型的構建

1.1 車廂幾何模型

本文研究對象為一款純電動公交車。根據(jù)設計圖紙，按照實際尺寸1∶1比例建立幾何模型，車廂內(nèi)對溫度場和速度場影響較小的結構做如下簡化：（1）忽略扶手、方向盤、剎車等對氣流影響不大的細小零件；（2）將車窗和車身視為垂直，忽略車窗連接處材料；（3）把儀表盤的頂面簡化為水平面，儀表盤和投幣箱合并成一個梯形臺；（4）忽略車廂內(nèi)部一些微小曲面和夾角。圖1為簡化幾何模型，具體尺寸：車廂凈長8.7 m，寬2.3 m，高2.15 m；頂部兩側共設有12個200 mm×100 mm矩形格柵送風口；頂部中間設一個800 mm ×400 mm矩形格柵回風口，通過過道集中回風。

圖1 車廂簡化幾何模型

1.2 數(shù)學模型

本文選用工程實際中常用的標準k-ζ[6]湍流模型來對車廂內(nèi)冬季采暖過程進行數(shù)值模擬計算，為簡化問題，對車廂內(nèi)作如下假設：（1）空氣流動和傳熱視為穩(wěn)態(tài)；（2）忽略固體壁面間的熱輻射；（3）空氣不可壓縮，符合Boussinesq假設；（4）不考慮漏風。在假設的基礎上，建立如下控制方程：

連續(xù)性方程

動量方程

能量方程

湍流動能方程（k方程）

湍流耗散率方程（ε方程）

各變量的意義及式中系數(shù)的取值見文獻[6]。

1.3 網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)車廂內(nèi)部結構尺寸大小，將全局網(wǎng)格參數(shù)Max element設置為50 mm，同時考慮到送回風口流體參數(shù)變化較大，人體附近是研究的重要區(qū)域，所以我們定義這兩個Part的網(wǎng)格尺寸Max Size=25 mm，對局部區(qū)域做適當?shù)募用芴幚?。質(zhì)量不好的網(wǎng)格，觀察其周圍的Geometry和Block并檢查映射關系，進行調(diào)整。最終用于計算的網(wǎng)格數(shù)量為5×106，網(wǎng)格quality值大部分都大于0.4，在0.3-0.35之間的網(wǎng)格單元只有16個，滿足計算要求。

2 邊界條件與數(shù)值計算

2.1 邊界條件設置

送風口和回風口邊界類型設置分別為Velocity-inlet、Pres ure-out，湍流邊界條件選取水力直徑（Hydraulic Diameter）D和湍流強度（Turbulence Intensity）I。其他邊界類型設置為Wall。車廂頂部、地板和兩側取第三類邊界條件，根據(jù)各部分材料和厚度分別計算其綜合傳熱系數(shù)K；車廂前部儀表臺部分較厚，可視為絕熱邊界；考慮到公交車骨架結構復雜，存在“熱橋“現(xiàn)象，使其導熱具有三維特性，增大部分區(qū)域熱量損失，取一個修正系數(shù)Ks。該款電動公交車后備箱放有大量電池，散發(fā)的熱量不可以忽略，可設置為絕熱壁面。車廂內(nèi)人員視為熱源，人體散熱量按116 W/人計算，座椅面按絕熱條件進行處理。車廂內(nèi)固體壁面和空氣的耦合問題，壁面粘性系數(shù)可視為無窮大，即氣、固交界面空氣流動采用固體壁面無滑移條件，即ui=0 m/s。

2.2 數(shù)值計算方法

本文采用FLUENT軟件進行數(shù)值計算，采用SIMPLE算法求解離散控制方程。壓力離散采用二階格式，除能量方程和動量方程采用二階迎風格式進行離散，其他方程采用一階迎風格式。

本文的計算工況有7種，分別從送風速度和溫度兩個方面對車廂內(nèi)速度場和溫度場的影響進行分析。具體的送風參數(shù)見表1。

表1 空調(diào)送風參數(shù)

3 模擬結果及分析

3.1 送風速度的影響

（1）由圖2可知，受人體、座椅和臺階影響，車廂內(nèi)不同區(qū)域流場分布結構形式有較大差別。Ⅰ區(qū)駕駛員座椅左右兩側均有渦旋，且隨送風速度的增加渦旋稍有下移，車門一側氣流方向由下向上且較穩(wěn)定；Ⅱ區(qū)左右對稱送風，由于回風口不斷吸氣的影響，流動在車廂中部加強，形成兩個較大的氣流渦旋，且隨送風速度的增加渦旋增強；Ⅲ區(qū)有送風口的一側人體兩邊渦旋相對較強，另一側氣流均勻平穩(wěn)，但在頂部區(qū)域空氣流動性很差，當送風速度從1 m/s上升到4 m/s時，該區(qū)域流場分布結構形式基本不變，但空氣流動強度明顯上升。

圖2 工況2（a）和工況4（b）X各斷面速度矢量

（2）由圖3和圖4可知，四種送風速度下車廂內(nèi)速度的變化趨勢相似，速度在座椅及臺階周圍有較大波動，穩(wěn)定的速度區(qū)域出現(xiàn)在高度1.0-1.7 m之間，由于回風口的影響，車廂中部3.5-5.5 m區(qū)域速度相對于兩端偏大0.1-0.2 m/s，空氣流動性更好。當送風速度為4m/s時，在靠近車窗送風口正下面乘客座椅區(qū)域的空氣流速非常大，可高達1.4m/s，會產(chǎn)生強烈的局部吹風感，遠遠大于冬季車廂內(nèi)舒適的空氣流速；隨著送風速度降低，這個值逐漸減小，當送風速度為1m/s時，該值已經(jīng)低至0.4m/s。所以，我們應該盡量避免送風口直接吹向人體。當送風速度為4m/s時，過道處乘客頭部區(qū)域速度為0.3m/s左右；當送風速度下降至2m/s時，頭部區(qū)域速度降至0.1—0.2m/s之間，而整個車廂內(nèi)空氣流速在0.3m/s左右，滿足 ASHRAE標準[7]所規(guī)定的人員附近局部區(qū)域風速小于 0.3 m/s 的標準要求；當送風速度為1m/s時，車廂內(nèi)空氣流速非常小，車廂兩端大部分區(qū)域低于0.05m/s，不符合UIC 553-1-2005標準規(guī)定的風速不小于0.07 m/s，空氣流動性非常糟糕，乘客會有無風感，容易產(chǎn)生悶熱的感覺。

圖3 速度沿Z軸和X軸方向變化趨勢（四種送風速度）

圖4 工況2，Y=1.15 m斷面速度標量

（3）由圖5可知，降低送風速度使車廂內(nèi)溫度整體逐漸降低，且溫度不均勻性增強，這是由于其他參數(shù)不變的情況下，送風速度減小，不僅送入車廂內(nèi)的熱量減少，且流動帶來的擾動和強化換熱效果減弱。整個車廂內(nèi)溫度沿X軸方向（從前擋風玻璃處到車廂尾部）逐漸上升，沿Z軸方向變化不大。當送風速度為1m/s時，車廂前擋風玻璃處溫度低至13.4 ℃， X=0.85 m斷面平均溫度為17.4 ℃，前部區(qū)域溫度明顯低于舒適性要求，駕駛員將感到熱不舒適，不利于安全駕駛；而X=6.97 m斷面平均溫度為24.7 ℃，且乘客附近局部區(qū)域（占整個斷面面積25%）溫度高達28.8 ℃，前后溫差變化超過7℃，極其不均勻。一方面是因為車廂前部圍護結構傳熱系數(shù)更大（玻璃面積比例大），熱量損失更多，另一方面車廂后部送風口更為密集，乘客數(shù)量更多，且又受后備箱電池散熱的影響，周圍空氣獲得較多熱量。送風速度增加，前后溫度不均勻性減弱，當送風速度為4m/s時，前后溫差縮小至3℃。

圖5 溫度沿Z軸和X軸方向變化趨勢（四種送風速度）

3.2 送風溫度的影響

（1）由圖6可知，在送風速度不變的情況下（2 m/s），只改變送風溫度，車廂內(nèi)速度場變化趨勢基本相同，速度值及分布基本也沒有變化，這說明汽車空調(diào)系統(tǒng)的送風溫度對車內(nèi)流場分布影響較小。

圖6 速度沿Z軸和X軸方向變化趨勢（四種送風溫度）

（2）由圖7可知，送風溫度的改變使得車廂內(nèi)的溫度值變化較大，這是由于單位時間內(nèi)進入車廂內(nèi)的熱量不同。送風溫度的變化量與其所引起的車廂內(nèi)溫度變化量大小相近，即送風溫度升高1℃，車廂內(nèi)平均溫度也升高1℃。但是沿Z軸和X軸方向上溫度的變化趨勢相似，同樣證明送風溫度對車廂內(nèi)流場影響很小。當送風溫度為21℃時，車廂前部大部分區(qū)域溫度低于17.3℃，溫度偏低；當送風溫度為24℃時，車廂尾部大部分區(qū)域溫度高于25.8℃，乘客會感覺悶熱；當送風溫度為23℃時，車廂內(nèi)溫度大部分處在19.2-24.3℃范圍之間，可勉強滿足駕駛員熱舒適性要求，同時后部乘客不會感到太悶熱。

圖7 溫度沿Z軸和X軸方向變化趨勢（四種送風溫度）

由圖8可知，車廂過道的空氣溫度顯然高于靠窗側座椅區(qū)域空氣溫度，靠窗且有車門一側的溫度比靠窗無車門一側溫度低，這是由于玻璃傳熱系數(shù)較大，大量熱量在從車窗車門損失，將會導致靠窗側的車內(nèi)人員不太舒適。

圖8 工況2，Z=1.375 m斷面溫度分布

4 結論

針對純電動公交車內(nèi)部的幾何構型（含車內(nèi)人員）、車身壁面結構、車內(nèi)空氣流動傳熱特點，構建了相應的熱負荷模型和數(shù)值計算模型，對冬季采暖工況進行了數(shù)值模擬，分析了車廂內(nèi)流場、溫度場分布情況，獲得的結論如下：

（1）把純電動公交車車廂內(nèi)部劃分為駕駛區(qū)、老弱病殘區(qū)和后排雙座區(qū)，并對各區(qū)流場和溫度場的分布情況進行詳細分析，為確定空調(diào)最佳送風參數(shù)、優(yōu)化氣流組織設計方案提供了參考，進而可以縮短設計周期，節(jié)省資源。

（2）綜合來說，送風口送出氣流衰減都很快，送風速度逐漸增大，雖然車廂內(nèi)的氣流混合更為均勻，但必然導致送入車廂內(nèi)的熱量增加，將消耗更多的能量。送風速度過大，又會使靠近車窗送風口下面乘客座椅區(qū)域的空氣流速過大，吹風感過強；送風速度過小，車廂內(nèi)會產(chǎn)生很多速度幾乎為0的“氣流死區(qū)”，空氣將很不新鮮。車內(nèi)人員可以通過調(diào)節(jié)送風角度來降低吹風感和減少“氣流死區(qū)”。送風速度設置為2—3m/s時，車廂內(nèi)流場較為合理。

（3）空調(diào)系統(tǒng)的送風溫度變化時車廂內(nèi)流場分布變化較小。送風溫度的變化量與其所引起的車廂內(nèi)溫度變化量大小相近，即送風溫度升高1℃，車廂內(nèi)平均溫度也升高1℃。整個車廂內(nèi)溫度沿X軸方向（從前擋風玻璃處到車廂尾部）逐漸上升，沿Z軸方向變化不大。

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Analysis of Velocity Field and Temperature Field in Pure Electric Bus Based on Air Supply Parameters

Zhou Ke, Hu Guangdi, Lang Xiaoyue
( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Sichuan Chengdu 630031 )

Combined with the design drawings of a pure electric bus and the statistics of national standards adult body size, the full-size geometric modeling of the bus with driver and passengers is constructed. k-ε turbulence model are chosen, then the air supply velocity and temperature are simulated under seven heating conditions by the software FLUENT. The results show that the air flow organization in different areas of the bus is greatly affected by the human body, the seat and the step. With the increase of air supply velocity, the air flow in the compartment is more uniform. When the air temperature is changed, the distribution of flow field in the compartment is very small. The temperature along the X-axis direction gradually increase and the air temperature of the aisle is obviously higher than that of the window. The result have a reference value on ascertaining the best air parameters and improving air flow organization of pure electric buses.

Pure electric bus; Air parameters; Air organization; temperature field

U453.5

A

1671-7988 (2017)16-112-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.039

周柯（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向汽車空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設計。