呂鴻斌，陳 博，高天元，李圓圓，施駿業(yè)，陳江平

（1.上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240； 2.安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601）

前言

我國(guó)南方地區(qū)夏季非常炎熱，部分城市甚至超過40℃。由于乘員艙空間狹小且相對(duì)封閉，車內(nèi)的溫度快速升高，溫度場(chǎng)不均勻性增大。如果空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不好，使出風(fēng)溫度和風(fēng)量較小，車內(nèi)的流場(chǎng)組織分布不合理，則不能給乘員很好的降溫。如果駕駛員長(zhǎng)期處于此環(huán)境下，容易導(dǎo)致疲勞、精神煩躁和注意力不集中等問題，從而大大增加了發(fā)生交通事故的概率。

隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的研究人員開始利用CFD對(duì)轎車乘員艙的熱舒適性進(jìn)行研究，如江濤等［1］研究了不同太陽高度角對(duì)乘員艙熱舒適性的影響。谷正氣等［2］通過改進(jìn)空調(diào)風(fēng)道中所加導(dǎo)流片的3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)提升了空調(diào)出風(fēng)總量和出風(fēng)比例。唐江明等［3］通過對(duì)汽車空調(diào)送風(fēng)格柵優(yōu)化來改進(jìn)乘員熱舒適性。

已有的研究大多著眼于將PMV-PPD［4］、當(dāng)量溫度［5］、整體熱感覺偏差［6］和空氣齡［7］作為轎車乘員艙熱舒適性評(píng)價(jià)的指標(biāo)，如張炳力等［10］和王靖宇等［11］基于PMV-PPD、空氣齡和冷負(fù)荷等指標(biāo)分析送風(fēng)參數(shù)對(duì)乘員的熱舒適性和艙內(nèi)空氣新鮮度的影響。不過較少從流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的角度對(duì)乘員的熱舒適性進(jìn)行深入分析。而本文中主要基于流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，利用氣流組織形式、吹臉風(fēng)速、呼吸點(diǎn)溫度等指標(biāo)，分析極端炎熱條件下乘客的熱舒適性，并給出轎車風(fēng)道送風(fēng)風(fēng)量和入口溫度設(shè)置的系統(tǒng)性意見，對(duì)汽車空調(diào)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

1 乘員艙模型

使用三維建模軟件CATIA對(duì)乘員艙進(jìn)行建模，部件包括車體、座椅、內(nèi)飾部件、風(fēng)道和假人等。將模型導(dǎo)入到Star-CCM＋中，經(jīng)過修復(fù)、簡(jiǎn)化和防接觸的處理后，使用包面的功能提取乘員艙的內(nèi)表面，如圖1所示。

圖1 包面后的乘員艙三維模型

將車頂隱藏后，可清楚看到乘員艙內(nèi)部的結(jié)構(gòu)：前排安排兩名乘員分別為駕駛員和副駕駛員，在儀表盤左、左中、右中和右合計(jì)有4個(gè)出風(fēng)口，副駕駛的腳部處開有排氣口，如圖2所示。

圖2 模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 CFD仿真

2.1 基本控制方程

氣流在風(fēng)道和乘員艙中流動(dòng)是復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)。湍流計(jì)算的基本控制方程是三維不可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程。

（1）連續(xù)方程

式中：矢量ui和uj為平均速度的分量；矢量xi和xj為坐標(biāo)分量；p為流體微元的壓力；ρ為空氣密度；Cp為比熱容；k為傳熱系數(shù)；μeff為湍流有效黏性系數(shù)；ST為流體內(nèi)熱源由于黏性作用使得機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。

2.2 網(wǎng)格劃分

整個(gè)計(jì)算模型采用Star-CCM＋中的多面體網(wǎng)格模型，為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)風(fēng)道格柵和假人的各個(gè)部位等多處進(jìn)行了加密，并設(shè)置兩層的邊界層，最后得到的體網(wǎng)格數(shù)量為4 471 423。劃分網(wǎng)格的模型如圖3所示。

圖3 求解域體網(wǎng)格示意圖

2.3 車身材料參數(shù)

由于乘員艙模型部件眾多，如儀表板、內(nèi)飾板和膠條等，而且計(jì)算模型是施加了太陽輻射影響的氣固耦合模型，為了使三維仿真輸入的條件更準(zhǔn)確，將具體設(shè)置每個(gè)部件的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度、吸收率、透過率和反射率。為適應(yīng)實(shí)車三維模型的簡(jiǎn)化，須對(duì)廠商提供的部件實(shí)際物性進(jìn)行調(diào)整。另一方面，空氣從入口經(jīng)過風(fēng)道再到送風(fēng)口的過程中會(huì)有1～2℃的熱量損失，所以須在風(fēng)道中設(shè)置相應(yīng)的熱導(dǎo)率和厚度。最后調(diào)整的結(jié)果如表1所示。

2.4 邊界條件設(shè)定

為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，空間離散方式采用2階迎風(fēng)差分格式。流場(chǎng)計(jì)算方式使用SIMPLE算法。由于乘員艙中的流場(chǎng)比較復(fù)雜，部分邊界的曲率較大，故使用可實(shí)現(xiàn)的K-Epsilon湍流模型。計(jì)算域的入口是風(fēng)道底部，經(jīng)過風(fēng)道的分流后再從4個(gè)出口中出來，如圖4所示。

表1 車身材料參數(shù)

圖4 風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

為保證從風(fēng)道出來的風(fēng)量等分，入口采用壓力進(jìn)口。其余的邊界條件如表2所示。

3 數(shù)值計(jì)算仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)條件與工況表

表2 邊界條件表

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，以某款車型SUV在環(huán)模艙中的整車降溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果為對(duì)比依據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。環(huán)模艙內(nèi)環(huán)境溫度保持在（43±0.5）℃，相對(duì)濕度為40%，日照量為1 000 W／m2，車內(nèi)車窗和車門全關(guān)，開啟內(nèi)循環(huán)模式，駕駛員和副駕駛員各1人，風(fēng)道送風(fēng)風(fēng)量為340 m3／h。

圖5 各送風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)溫度

3.2 出風(fēng)口溫度和風(fēng)量驗(yàn)證

仿真編號(hào)1?！?＃，風(fēng)道入口壓力為100 Pa，風(fēng)道入口溫度分別為5.5、6.4、5.6和16.3℃，結(jié)果如圖5所示。可知在不同的入口溫度下左中和右中的送風(fēng)口風(fēng)量占比都是最高的，這是因?yàn)橹虚g的兩個(gè)送風(fēng)風(fēng)道短且直，阻力較小。仿真總風(fēng)量平均值為352 m3／h，與實(shí)驗(yàn)值相比誤差小于3.6%。各送風(fēng)口的平均風(fēng)量誤差小于4%。

此外，入口溫度越高，風(fēng)道送風(fēng)溫度越高，但是相同入口溫度下，左、左中、右中和右送風(fēng)口溫度基本相等。由于空氣經(jīng)過風(fēng)道會(huì)與周圍空氣進(jìn)行熱交換而產(chǎn)生熱損失，使得各風(fēng)口送風(fēng)溫度均比入口處高1～2℃，仿真的4個(gè)出風(fēng)口的溫度基本與實(shí)驗(yàn)相符，誤差在1℃以內(nèi)。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和仿真的對(duì)比可知，該模型具備一定的準(zhǔn)確性和可信性。

4 基于流場(chǎng)分析熱舒適性

4.1 氣流組織分析

從圖6可知，氣流從風(fēng)道入口進(jìn)入并經(jīng)過分流后吹向乘員艙，吹向乘員。此時(shí)，一部分氣流吹向乘員的手、手臂、軀干和頭部，然后經(jīng)過車頂呈現(xiàn)逆時(shí)針漩渦，另一部分氣流則是直接經(jīng)過前排乘員往后排和后備箱流動(dòng)，接著經(jīng)過座位底部返回到前排乘員的腳部。此外可以觀察到經(jīng)過駕駛員腳部的氣流相對(duì)稀疏，因此有可能會(huì)導(dǎo)致散熱不佳。

圖6 乘員艙對(duì)稱截面氣流組織示意圖

4.2 吹面風(fēng)速分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)外舒適性相關(guān)研究和我國(guó)國(guó)民溫度感覺的習(xí)慣，夏季將車內(nèi)平均氣流控制在0.5 m／s左右人體感覺最好［12］。過高的吹面風(fēng)速容易引起乘員的不舒適感。

如圖7所示，選取駕駛員對(duì)稱軸截面位置的速度場(chǎng)進(jìn)行比較分析，送風(fēng)風(fēng)量相同時(shí)，不同的入口溫度下乘員艙內(nèi)速度場(chǎng)仿真結(jié)果并沒有明顯的區(qū)別。

風(fēng)道格柵的角度較小，氣流直接吹向前排乘員的胸部，使得不同風(fēng)量下乘客胸部附近的空氣流速明顯比臉部附近大，如表3所示。通過線性插值得出吹臉風(fēng)速為0.5 m／s時(shí)的送風(fēng)風(fēng)量為333 m3／h。350 m3／h風(fēng)量下的吹臉風(fēng)速比臨界吹臉風(fēng)速稍大。

圖7 乘員艙駕駛員對(duì)稱軸截面速度場(chǎng)

表3 不同風(fēng)量下乘客胸部和臉部附近風(fēng)速

4.3 空氣齡分析

平均空氣齡［7］，最早由Sandberg在20世紀(jì)80年代提出用來綜合衡量室內(nèi)通風(fēng)換氣效果和空氣品質(zhì)的指標(biāo)，指的是空氣由進(jìn)氣口到達(dá)室內(nèi)某一位置的移動(dòng)時(shí)間，反映了空氣的新鮮程度。某點(diǎn)的空氣齡越小，表示該處的空氣越新鮮，空氣品質(zhì)越好。封閉空間中的某一點(diǎn)的空氣是由不同空氣齡τ的空氣組成，設(shè)某空氣齡的概率分布為f（τ），則某一點(diǎn)的空氣齡平均值τp的計(jì)算公式如下：

乘客臉部附近靠近鼻子處是乘客直接呼吸空氣團(tuán)的位置，該處的空氣新鮮度在很大程度上影響著人的空氣新鮮度感受。為方便監(jiān)測(cè)呼吸點(diǎn)附近空氣齡和溫度，在Star-CCM＋中創(chuàng)建乘客的呼吸點(diǎn)，駕駛員和副駕駛員的呼吸點(diǎn)坐標(biāo)分別為（1.357，-0.335，0.961）和（1.357，0.335，0.961），如圖8所示。

圖8 乘員呼吸點(diǎn)位置

選取乘員呼吸點(diǎn)位置的空氣齡進(jìn)行比較，如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著空氣入口溫度的增加，乘員臉部附近空氣齡降低，但是降低的幅度隨入口溫度升高而降低。因?yàn)樘嵘肟跍囟扔欣谠鰪?qiáng)空氣分子的熱運(yùn)動(dòng)，從而提升空氣的運(yùn)動(dòng)速率，增加乘員艙內(nèi)的空氣新鮮度，但要以降低乘員和乘員艙內(nèi)降溫效果作為代價(jià)，且空氣新鮮度的提升幅度有限，最多提升3%～12%。在不同的入口溫度下，副駕駛員相比駕駛員臉部附近空氣齡都要小3 s左右，說明副駕駛員感受到的空氣新鮮度要比駕駛員要稍高。

圖9 乘員臉部附近空氣齡

5 基于溫度場(chǎng)分析熱舒適性

5.1 乘員艙溫度分布

選取駕駛員對(duì)稱軸截面位置的溫度場(chǎng)進(jìn)行比較分析，如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著入口溫度的提高，駕駛員對(duì)稱軸截面位置的溫度場(chǎng)整體溫度升高，說明乘員艙的整體溫度升高?？拷惋L(fēng)口位置的溫度最低，而后備箱、后排乘員座位底部和乘員腳部位置由于氣流不容易流動(dòng)，致使熱量積聚，溫度較高。

圖10 乘員艙駕駛員對(duì)稱軸截面溫度場(chǎng)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，夏季車內(nèi)溫度推薦值為23～26℃［12］。乘員的頭部、小腿、大腿和腳部等人體主要部位附近空氣溫度在22～30℃，考慮到此時(shí)周圍空氣正處于43℃的炎熱天氣，再加上1 000 W／m2的太陽輻射強(qiáng)度，此溫度范圍尚可接受。

5.2 乘員身體各部位溫度分析

分析乘員頭、上臂、大腿和腳部等部位表面平均溫度，如表4所示，風(fēng)道空氣入口溫度越低，乘員身體各部位表面平均溫度越低。在相同的條件下，兩位乘員的頭部、上臂和大腿表面平均溫度互有高低，但溫差不超過0.5℃。而副駕駛員的腳部表面平均溫度卻明顯比駕駛員的低2.4～5.7℃。說明在一定程度上副駕駛員的熱舒適性要比駕駛員的高。結(jié)合圖2，原因是實(shí)車的排氣口設(shè)置在副駕駛員的腳部上方，使得副駕駛員的腳部附近的空氣流動(dòng)比駕駛員的腳部附近空氣流動(dòng)更加密集，降溫效果更加明顯。

表4 乘員主要部位表面平均溫度 ℃

5.3 乘員呼吸點(diǎn)溫度分析

比較前后排呼吸點(diǎn)溫度，如圖11所示。相同條件下實(shí)驗(yàn)值和仿真值最多相差1.2℃。當(dāng)風(fēng)道入口溫度越低時(shí)，前后排呼吸點(diǎn)溫度越低，且在相同的條件下，均比該車型企標(biāo)既定的臨界溫度值要低，說明此時(shí)乘客呼吸點(diǎn)溫度滿足企業(yè)既定的舒適度要求。

值得注意的是，后排乘員的呼吸點(diǎn)溫度要比前排高0.5～2.6℃。結(jié)合圖6和圖8，這是因?yàn)轱L(fēng)道格柵角度較低，使得出風(fēng)剛好對(duì)準(zhǔn)了乘員頸部以下的位置，沒有對(duì)準(zhǔn)乘員臉部。此時(shí)氣流先經(jīng)過乘員手、手臂、軀干、臉部，再到車頂后逆時(shí)針返回，形成渦流。前排乘員的呼吸監(jiān)測(cè)點(diǎn)恰好在該渦流的中心處附近。在漩渦區(qū)中心，風(fēng)速低，熱量容易集聚起來，不利于散熱，往往會(huì)形成高溫區(qū)，即所謂的“速度死區(qū)”。而后排呼吸點(diǎn)則處于氣流渦旋的外圍，容易散熱，所以前排乘員的呼吸點(diǎn)溫度比后排高。

圖11 前后排呼吸點(diǎn)溫度

分析不同入口溫度范圍對(duì)空氣新鮮度和呼吸點(diǎn)溫度的敏感性，如表5所示，入口溫度從9.5到16.3℃，每提升1℃，空氣新鮮度僅提升0.75%，小于1%，而乘客呼吸點(diǎn)溫度升高2.6%，兩者相差3.5倍，說明此溫度范圍內(nèi)溫度升高對(duì)乘客呼吸點(diǎn)溫度的影響明顯比空氣新鮮度大，為提高空氣新鮮度而犧牲乘客的降溫效果在9.5～16.3℃的入口溫度范圍內(nèi)顯得不劃算。

表5 不同入口溫度范圍對(duì)空氣新鮮度和呼吸點(diǎn)溫度的敏感性

6 結(jié)論

（1）本文中在考慮太陽輻射情況下建立仿真模型，在不同入口溫度條件下，仿真與實(shí)驗(yàn)相比，風(fēng)量誤差在4%以內(nèi)，送風(fēng)溫度和前后排呼吸點(diǎn)溫度誤差分別在1和1.2℃以內(nèi)，證明建立的模型具備一定的可靠性和準(zhǔn)確性。

（2）在極端炎熱天氣之下，提高送風(fēng)風(fēng)量至臨界風(fēng)量附近，既能避免為乘員帶來過于強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，又能最大限度地保證降溫效果。經(jīng)過分析，本車型的臨界風(fēng)量在333 m3／h左右。

（3）隨著入口溫度的升高，艙內(nèi)空氣新鮮度隨之升高，降溫效果降低。而空氣新鮮度對(duì)于入口溫度的敏感性在當(dāng)入口溫度處于超過9.5℃的較高溫范圍時(shí)，相比乘員呼吸點(diǎn)溫度出現(xiàn)明顯衰減，進(jìn)一步說明當(dāng)入口溫度處于較高溫范圍時(shí)為提高艙內(nèi)空氣新鮮度而犧牲乘員的降溫效果顯得“得不償失”。

（4）空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮艙內(nèi)空氣的流動(dòng)，調(diào)整風(fēng)道格柵角度，避免置乘員呼吸點(diǎn)于氣流渦旋中心造成散熱不佳，即避免“速度死區(qū)”。同時(shí)也要考慮腳部附近空氣的流動(dòng)散熱。