周柯，胡廣地，郎曉玥

基于送風(fēng)參數(shù)的純電動(dòng)公交車(chē)內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析＊

周柯，胡廣地，郎曉玥

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 630031）

結(jié)合純電動(dòng)公交車(chē)設(shè)計(jì)圖紙與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)成年人體尺寸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了滿(mǎn)載乘客的車(chē)廂全尺寸幾何模型。根據(jù)車(chē)廂各部分傳熱特點(diǎn)設(shè)置合理的邊界條件，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，通過(guò)FLUENT軟件，對(duì)送風(fēng)速度和溫度2種種送風(fēng)參數(shù)7種采暖工況進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明，受人體、座椅和臺(tái)階影響，車(chē)廂內(nèi)不同區(qū)域流場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)形式有較大差別，送風(fēng)速度增大車(chē)廂內(nèi)的氣流混合更為均勻；送風(fēng)溫度變化時(shí)車(chē)廂內(nèi)流場(chǎng)分布變化較小，整個(gè)車(chē)廂內(nèi)溫度沿X軸方向逐漸上升；車(chē)廂過(guò)道的空氣溫度顯然高于靠窗側(cè)。研究結(jié)果對(duì)純電動(dòng)公交車(chē)送風(fēng)參數(shù)的優(yōu)化合進(jìn)一步改善氣流組織都具有一定的參考價(jià)值。

純電動(dòng)公交車(chē)；送風(fēng)參數(shù)；氣流組織；溫度場(chǎng)

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?cè)诠卉?chē)內(nèi)度過(guò)的時(shí)間增多，車(chē)內(nèi)環(huán)境質(zhì)量越來(lái)越重要。為了駕乘人員健康和身心舒暢，車(chē)廂內(nèi)必須有一個(gè)良好的氣流組織。公交車(chē)內(nèi)人員密度和空間都較大，設(shè)置合理的送風(fēng)參數(shù)更為重要。車(chē)內(nèi)環(huán)境不舒適，司機(jī)精神狀態(tài)容易不好，嚴(yán)重時(shí)可能引起操作失誤，造成交通事故[1,2]。

傳統(tǒng)的汽車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)一般采用試驗(yàn)法，即建造一個(gè)車(chē)廂內(nèi)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室（環(huán)境倉(cāng)），按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置環(huán)境條件，通過(guò)儀器測(cè)量重要位置的空氣速度和溫度，評(píng)價(jià)空調(diào)系統(tǒng)的好壞[3]。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的方法效果不錯(cuò)，但整個(gè)試驗(yàn)周期長(zhǎng)，且花費(fèi)高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，目前設(shè)計(jì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，研究人員廣泛采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD，Computational Fluid Dynamics）進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[4,5]。用CFD技術(shù)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(jié)果可以用于工程設(shè)計(jì)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車(chē)車(chē)廂內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究主要集中在轎車(chē)，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(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)廂內(nèi)氣流組織進(jìn)行了深入的研究和分析，得出合理的送風(fēng)參數(shù)，可以為將來(lái)的相關(guān)研究提供幫。

1 模型的構(gòu)建

1.1 車(chē)廂幾何模型

本文研究對(duì)象為一款純電動(dòng)公交車(chē)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，按照實(shí)際尺寸1∶1比例建立幾何模型，車(chē)廂內(nèi)對(duì)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)影響較小的結(jié)構(gòu)做如下簡(jiǎn)化：（1）忽略扶手、方向盤(pán)、剎車(chē)等對(duì)氣流影響不大的細(xì)小零件；（2）將車(chē)窗和車(chē)身視為垂直，忽略車(chē)窗連接處材料；（3）把儀表盤(pán)的頂面簡(jiǎn)化為水平面，儀表盤(pán)和投幣箱合并成一個(gè)梯形臺(tái)；（4）忽略車(chē)廂內(nèi)部一些微小曲面和夾角。圖1為簡(jiǎn)化幾何模型，具體尺寸：車(chē)廂凈長(zhǎng)8.7 m，寬2.3 m，高2.15 m；頂部?jī)蓚?cè)共設(shè)有12個(gè)200 mm×100 mm矩形格柵送風(fēng)口；頂部中間設(shè)一個(gè)800 mm ×400 mm矩形格柵回風(fēng)口，通過(guò)過(guò)道集中回風(fēng)。

圖1 車(chē)廂簡(jiǎn)化幾何模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文選用工程實(shí)際中常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ζ[6]湍流模型來(lái)對(duì)車(chē)廂內(nèi)冬季采暖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，對(duì)車(chē)廂內(nèi)作如下假設(shè)：（1）空氣流動(dòng)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(shè)；（4）不考慮漏風(fēng)。在假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立如下控制方程：

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

能量方程

湍流動(dòng)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(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

1.3 網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)車(chē)廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸大小，將全局網(wǎng)格參數(shù)Max element設(shè)置為50 mm，同時(shí)考慮到送回風(fēng)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(gè)Part的網(wǎng)格尺寸Max Size=25 mm，對(duì)局部區(qū)域做適當(dāng)?shù)募用芴幚怼Ｙ|(zhì)量不好的網(wǎng)格，觀(guān)察其周?chē)腉eometry和Block并檢查映射關(guān)系，進(jìn)行調(diào)整。最終用于計(jì)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(gè)，滿(mǎn)足計(jì)算要求。

2 邊界條件與數(shù)值計(jì)算

2.1 邊界條件設(shè)置

送風(fēng)口和回風(fēng)口邊界類(lèi)型設(shè)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(qiáng)度（Turbulence Intensity）I。其他邊界類(lèi)型設(shè)置為Wall。車(chē)廂頂部、地板和兩側(cè)取第三類(lèi)邊界條件，根據(jù)各部分材料和厚度分別計(jì)算其綜合傳熱系數(shù)K；車(chē)廂前部?jī)x表臺(tái)部分較厚，可視為絕熱邊界；考慮到公交車(chē)骨架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在“熱橋“現(xiàn)象，使其導(dǎo)熱具有三維特性，增大部分區(qū)域熱量損失，取一個(gè)修正系數(shù)Ks。該款電動(dòng)公交車(chē)后備箱放有大量電池，散發(fā)的熱量不可以忽略，可設(shè)置為絕熱壁面。車(chē)廂內(nèi)人員視為熱源，人體散熱量按116 W/人計(jì)算，座椅面按絕熱條件進(jìn)行處理。車(chē)廂內(nèi)固體壁面和空氣的耦合問(wèn)題，壁面粘性系數(shù)可視為無(wú)窮大，即氣、固交界面空氣流動(dòng)采用固體壁面無(wú)滑移條件，即ui=0 m/s。

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

本文采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，其他方程采用一階迎風(fēng)格式。

本文的計(jì)算工況有7種，分別從送風(fēng)速度和溫度兩個(gè)方面對(duì)車(chē)廂內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行分析。具體的送風(fēng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 空調(diào)送風(fēng)參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 送風(fēng)速度的影響

（1）由圖2可知，受人體、座椅和臺(tái)階影響，車(chē)廂內(nèi)不同區(qū)域流場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)形式有較大差別。Ⅰ區(qū)駕駛員座椅左右兩側(cè)均有渦旋，且隨送風(fēng)速度的增加渦旋稍有下移，車(chē)門(mén)一側(cè)氣流方向由下向上且較穩(wěn)定；Ⅱ區(qū)左右對(duì)稱(chēng)送風(fēng)，由于回風(fēng)口不斷吸氣的影響，流動(dòng)在車(chē)廂中部加強(qiáng)，形成兩個(gè)較大的氣流渦旋，且隨送風(fēng)速度的增加渦旋增強(qiáng)；Ⅲ區(qū)有送風(fēng)口的一側(cè)人體兩邊渦旋相對(duì)較強(qiáng)，另一側(cè)氣流均勻平穩(wěn)，但在頂部區(qū)域空氣流動(dòng)性很差，當(dāng)送風(fēng)速度從1 m/s上升到4 m/s時(shí)，該區(qū)域流場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)形式基本不變，但空氣流動(dòng)強(qiáng)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(fēng)速度下車(chē)廂內(nèi)速度的變化趨勢(shì)相似，速度在座椅及臺(tái)階周?chē)休^大波動(dòng)，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(fēng)口的影響，車(chē)廂中部3.5-5.5 m區(qū)域速度相對(duì)于兩端偏大0.1-0.2 m/s，空氣流動(dòng)性更好。當(dāng)送風(fēng)速度為4m/s時(shí)，在靠近車(chē)窗送風(fēng)口正下面乘客座椅區(qū)域的空氣流速非常大，可高達(dá)1.4m/s，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部吹風(fēng)感，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冬季車(chē)廂內(nèi)舒適的空氣流速；隨著送風(fēng)速度降低，這個(gè)值逐漸減小，當(dāng)送風(fēng)速度為1m/s時(shí)，該值已經(jīng)低至0.4m/s。所以，我們應(yīng)該盡量避免送風(fēng)口直接吹向人體。當(dāng)送風(fēng)速度為4m/s時(shí)，過(guò)道處乘客頭部區(qū)域速度為0.3m/s左右；當(dāng)送風(fēng)速度下降至2m/s時(shí)，頭部區(qū)域速度降至0.1—0.2m/s之間，而整個(gè)車(chē)廂內(nèi)空氣流速在0.3m/s左右，滿(mǎn)足 ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)[7]所規(guī)定的人員附近局部區(qū)域風(fēng)速小于 0.3 m/s 的標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)送風(fēng)速度為1m/s時(shí)，車(chē)廂內(nèi)空氣流速非常小，車(chē)廂兩端大部分區(qū)域低于0.05m/s，不符合UIC 553-1-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的風(fēng)速不小于0.07 m/s，空氣流動(dòng)性非常糟糕，乘客會(huì)有無(wú)風(fēng)感，容易產(chǎn)生悶熱的感覺(jué)。

圖3 速度沿Z軸和X軸方向變化趨勢(shì)（四種送風(fēng)速度）

圖4 工況2，Y=1.15 m斷面速度標(biāo)量

（3）由圖5可知，降低送風(fēng)速度使車(chē)廂內(nèi)溫度整體逐漸降低，且溫度不均勻性增強(qiáng)，這是由于其他參數(shù)不變的情況下，送風(fēng)速度減小，不僅送入車(chē)廂內(nèi)的熱量減少，且流動(dòng)帶來(lái)的擾動(dòng)和強(qiáng)化換熱效果減弱。整個(gè)車(chē)廂內(nèi)溫度沿X軸方向（從前擋風(fēng)玻璃處到車(chē)廂尾部）逐漸上升，沿Z軸方向變化不大。當(dāng)送風(fēng)速度為1m/s時(shí)，車(chē)廂前擋風(fēng)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(gè)斷面面積25%）溫度高達(dá)28.8 ℃，前后溫差變化超過(guò)7℃，極其不均勻。一方面是因?yàn)檐?chē)廂前部圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(chē)廂后部送風(fēng)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?chē)諝猥@得較多熱量。送風(fēng)速度增加，前后溫度不均勻性減弱，當(dāng)送風(fēng)速度為4m/s時(shí)，前后溫差縮小至3℃。

圖5 溫度沿Z軸和X軸方向變化趨勢(shì)（四種送風(fēng)速度）

3.2 送風(fēng)溫度的影響

（1）由圖6可知，在送風(fēng)速度不變的情況下（2 m/s），只改變送風(fēng)溫度，車(chē)廂內(nèi)速度場(chǎng)變化趨勢(shì)基本相同，速度值及分布基本也沒(méi)有變化，這說(shuō)明汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度對(duì)車(chē)內(nèi)流場(chǎng)分布影響較小。

圖6 速度沿Z軸和X軸方向變化趨勢(shì)（四種送風(fēng)溫度）

（2）由圖7可知，送風(fēng)溫度的改變使得車(chē)廂內(nèi)的溫度值變化較大，這是由于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入車(chē)廂內(nèi)的熱量不同。送風(fēng)溫度的變化量與其所引起的車(chē)廂內(nèi)溫度變化量大小相近，即送風(fēng)溫度升高1℃，車(chē)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(shì)相似，同樣證明送風(fēng)溫度對(duì)車(chē)廂內(nèi)流場(chǎng)影響很小。當(dāng)送風(fēng)溫度為21℃時(shí)，車(chē)廂前部大部分區(qū)域溫度低于17.3℃，溫度偏低；當(dāng)送風(fēng)溫度為24℃時(shí)，車(chē)廂尾部大部分區(qū)域溫度高于25.8℃，乘客會(huì)感覺(jué)悶熱；當(dāng)送風(fēng)溫度為23℃時(shí)，車(chē)廂內(nèi)溫度大部分處在19.2-24.3℃范圍之間，可勉強(qiáng)滿(mǎn)足駕駛員熱舒適性要求，同時(shí)后部乘客不會(huì)感到太悶熱。

圖7 溫度沿Z軸和X軸方向變化趨勢(shì)（四種送風(fēng)溫度）

由圖8可知，車(chē)廂過(guò)道的空氣溫度顯然高于靠窗側(cè)座椅區(qū)域空氣溫度，靠窗且有車(chē)門(mén)一側(cè)的溫度比靠窗無(wú)車(chē)門(mén)一側(cè)溫度低，這是由于玻璃傳熱系數(shù)較大，大量熱量在從車(chē)窗車(chē)門(mén)損失，將會(huì)導(dǎo)致靠窗側(cè)的車(chē)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(jié)論

針對(duì)純電動(dòng)公交車(chē)內(nèi)部的幾何構(gòu)型（含車(chē)內(nèi)人員）、車(chē)身壁面結(jié)構(gòu)、車(chē)內(nèi)空氣流動(dòng)傳熱特點(diǎn)，構(gòu)建了相應(yīng)的熱負(fù)荷模型和數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)冬季采暖工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了車(chē)廂內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布情況，獲得的結(jié)論如下：

（1）把純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)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(duì)各區(qū)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況進(jìn)行詳細(xì)分析，為確定空調(diào)最佳送風(fēng)參數(shù)、優(yōu)化氣流組織設(shè)計(jì)方案提供了參考，進(jìn)而可以縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)省資源。

（2）綜合來(lái)說(shuō)，送風(fēng)口送出氣流衰減都很快，送風(fēng)速度逐漸增大，雖然車(chē)廂內(nèi)的氣流混合更為均勻，但必然導(dǎo)致送入車(chē)廂內(nèi)的熱量增加，將消耗更多的能量。送風(fēng)速度過(guò)大，又會(huì)使靠近車(chē)窗送風(fēng)口下面乘客座椅區(qū)域的空氣流速過(guò)大，吹風(fēng)感過(guò)強(qiáng)；送風(fēng)速度過(guò)小，車(chē)廂內(nèi)會(huì)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(chē)內(nèi)人員可以通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)角度來(lái)降低吹風(fēng)感和減少“氣流死區(qū)”。送風(fēng)速度設(shè)置為2—3m/s時(shí)，車(chē)廂內(nèi)流場(chǎng)較為合理。

（3）空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度變化時(shí)車(chē)廂內(nèi)流場(chǎng)分布變化較小。送風(fēng)溫度的變化量與其所引起的車(chē)廂內(nèi)溫度變化量大小相近，即送風(fēng)溫度升高1℃，車(chē)廂內(nèi)平均溫度也升高1℃。整個(gè)車(chē)廂內(nèi)溫度沿X軸方向（從前擋風(fēng)玻璃處到車(chē)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(chē)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。