王夫亮

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201206，中國(guó)）

汽車(chē)乘客艙內(nèi)的空氣質(zhì)量會(huì)影響乘員的舒適性甚至安全和健康狀況，空氣質(zhì)量不佳的艙內(nèi)環(huán)境容易使人疲勞、注意力不集中，影響乘坐感受甚至駕駛安全性[1～5]。

G. Mathur對(duì)座艙碳二氧化物的積累與乘員、車(chē)速、車(chē)輛泄漏、車(chē)齡影響、新舊車(chē)輛和環(huán)境溫度等因素的關(guān)系進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[6～11]。J. D. Power公司對(duì)中國(guó)和全球新車(chē)的車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行了展示研究，“令人不快的車(chē)內(nèi)氣味”是第一大消費(fèi)者投訴[12]。乘客艙良好的通風(fēng)能力有助于持續(xù)從外界獲得新鮮空氣，使乘客艙內(nèi)保持較高的空氣質(zhì)量，提高駕乘人員的舒適性。如果乘客艙通風(fēng)不暢，乘客艙內(nèi)的空氣就無(wú)法及時(shí)地與外界進(jìn)行交換，引起空氣質(zhì)量下降。此外，通風(fēng)不暢還會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)壓強(qiáng)升高，引起駕乘人員耳部不適。

乘客艙通過(guò)車(chē)身上的開(kāi)口與周?chē)h(huán)境進(jìn)行空氣交換，這些開(kāi)口的設(shè)計(jì)直接影響了乘客艙的空氣質(zhì)量和通風(fēng)性能。這些開(kāi)口包括內(nèi)飾板/儀表板間隙、前后側(cè)門(mén)縫、天窗縫隙、行李箱/尾門(mén)縫隙和泄壓閥(pressure relief valve，PRV)[13]。由泄壓閥PRV引起的泄漏稱(chēng)為可控泄漏(controlled leakage)，由其它車(chē)身間隙/縫隙引起的泄漏稱(chēng)為非可控泄漏(uncontrolled leakage)。

為了獲得理想的乘客艙艙內(nèi)空氣質(zhì)量以及艙內(nèi)壓強(qiáng)，需要對(duì)乘客艙的泄漏進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。產(chǎn)生非可控泄露的開(kāi)口形狀復(fù)雜，縫隙較小，在設(shè)計(jì)時(shí)難以進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。產(chǎn)生可控泄漏的泄壓閥大多設(shè)計(jì)在車(chē)身后端行李箱的側(cè)壁上，通過(guò)乘客艙內(nèi)外的壓強(qiáng)差控制閥的開(kāi)閉。當(dāng)艙內(nèi)壓強(qiáng)大于外界壓強(qiáng)時(shí)，泄壓閥風(fēng)門(mén)在壓強(qiáng)作用下產(chǎn)生一定開(kāi)度，排出一部分艙內(nèi)空氣，艙內(nèi)壓強(qiáng)減小，從而起到調(diào)節(jié)艙內(nèi)空氣流量和壓強(qiáng)的作用。

對(duì)于流場(chǎng)相關(guān)的問(wèn)題，可以通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)仿真計(jì)算獲得流速、流量和氣流壓強(qiáng)等結(jié)果，為系統(tǒng)和零件的設(shè)計(jì)提供支持和參考。然而乘客艙非可控泄漏難以準(zhǔn)確建模，可控泄漏（泄壓閥）風(fēng)門(mén)在氣流壓強(qiáng)作用下處于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，相應(yīng)的流場(chǎng)仿真計(jì)算需進(jìn)行時(shí)間相關(guān)的動(dòng)邊界數(shù)值模擬，計(jì)算量大，難以快速支持工程設(shè)計(jì)。

本文利用流場(chǎng)CFD仿真分析和乘客艙通風(fēng)流量—艙內(nèi)壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)非可控泄漏和非可控泄漏的影響進(jìn)行等效處理，建立了泄壓閥對(duì)乘客艙通風(fēng)流量和艙內(nèi)壓強(qiáng)影響的評(píng)估方法，為泄壓閥設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 分析方法和流程

本文針對(duì)某款多用途汽車(chē)(multi-purpose vehicles,MPV)，結(jié)合該車(chē)型乘客艙通風(fēng)流量—艙內(nèi)壓強(qiáng)性能試驗(yàn)獲得的通風(fēng)流量和乘客艙內(nèi)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，對(duì)乘客艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)仿真得到的艙內(nèi)壓強(qiáng)和泄漏面積數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得二者之間的變化規(guī)律，對(duì)非可控泄漏和可控泄漏等效開(kāi)口面積進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)整，先后建立了準(zhǔn)確的非可控泄漏和可控泄漏的等效開(kāi)口方案，并基于此開(kāi)口方案，計(jì)算了不同流量和開(kāi)口面積下的艙內(nèi)流量—壓強(qiáng)變化規(guī)律。

該車(chē)型乘客艙通風(fēng)流量—艙內(nèi)壓強(qiáng)性能試驗(yàn)在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分為泄壓閥關(guān)閉和打開(kāi)2種工況，見(jiàn)表1。

表1 乘客艙通風(fēng)流量-艙內(nèi)壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果

基于此通風(fēng)流量和艙內(nèi)壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果和乘客艙內(nèi)流場(chǎng)仿真分析，建立了如下可控泄漏和非可控泄漏等效方案標(biāo)定分析流程。首先設(shè)定乘客艙通風(fēng)流量81 L·s-1，關(guān)閉泄壓閥，用側(cè)門(mén)縫開(kāi)口等效非可控泄漏作用，將艙內(nèi)壓強(qiáng)仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如果計(jì)算表壓強(qiáng)高于125 Pa，增加非可控泄漏等效開(kāi)口面積，如果計(jì)算表壓強(qiáng)小于125 Pa，則減小非可控泄漏的等效開(kāi)口面積。

當(dāng)完成3個(gè)方案的計(jì)算后，對(duì)艙內(nèi)壓強(qiáng)和開(kāi)口面積計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，根據(jù)擬合得到的二次多項(xiàng)式計(jì)算125 Pa對(duì)應(yīng)的等效開(kāi)口面積，然后根據(jù)面積計(jì)算結(jié)果來(lái)調(diào)整等效開(kāi)口的大小，繼續(xù)對(duì)乘客艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)更新擬合方程，根據(jù)新的擬合方程來(lái)計(jì)算非可控泄漏等效開(kāi)口面積。

可控泄漏等效開(kāi)口面積確定之后，利用同樣的方法確定等效的泄壓閥（可控泄漏）開(kāi)口面積。非可控泄漏和可控泄漏的等效開(kāi)口面積方案的確定過(guò)程總結(jié)如圖1所示。獲得等效可控泄漏和非可控泄漏開(kāi)口面積之后，計(jì)算不同流量和開(kāi)口面積條件下的乘客艙內(nèi)流量—壓強(qiáng)變化規(guī)律，為開(kāi)發(fā)前期泄壓閥設(shè)計(jì)和相應(yīng)設(shè)計(jì)方案的艙內(nèi)壓強(qiáng)評(píng)估提供參考。

2 乘客艙模型

乘客艙內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算域如圖2所示。艙內(nèi)空間x向長(zhǎng)度為4 m，y向?qū)挾葹?.72 m，z向高度為1.34 m，艙內(nèi)空間體積為4.58 m3。前儀表板上的4個(gè)空調(diào)出風(fēng)口作為計(jì)算域入口，仿真計(jì)算邊界條件設(shè)置為速度入口，若令乘客艙通風(fēng)體積流量為，空調(diào)出風(fēng)口面積為A；則空調(diào)出風(fēng)口速度為

非可控泄漏等效開(kāi)口和可控泄漏開(kāi)口（泄壓閥）位置和形狀如圖3所示。非可控泄漏等效開(kāi)口位于左右滑移門(mén)的門(mén)縫位置。通過(guò)多次擬合泄壓閥關(guān)閉和打開(kāi)情況下的艙內(nèi)壓強(qiáng)和泄漏面積對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)，逐步確定準(zhǔn)確的非可控泄漏和可控泄漏開(kāi)口面積大小。

試驗(yàn)過(guò)程中乘客艙內(nèi)壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)位于主駕頭部位置，仿真計(jì)算的壓強(qiáng)監(jiān)控和輸出點(diǎn)的位置與之相一致，取主駕頭部位置正方體8個(gè)頂點(diǎn)壓強(qiáng)的平均值作為乘客艙內(nèi)的壓強(qiáng)值，如圖4所示。

3 數(shù)值方法與計(jì)算設(shè)置

計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示。計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)為1 400萬(wàn)。計(jì)算選用基于壓強(qiáng)修正的SIMPLE算法，湍流模型為Realizable 模型，近壁區(qū)流場(chǎng)采用非平衡壁面函數(shù)進(jìn)行處理，壓強(qiáng)離散格式為Standard，動(dòng)量、湍流動(dòng)能和湍流耗散率離散格式為二階迎風(fēng)格式。張量指標(biāo)形式表示的流場(chǎng)控制方程如式(1)—(3)所示，即為時(shí)均連續(xù)方程、Reynolds方程和標(biāo)量的時(shí)均輸運(yùn)方程[14]。

式中： ρ為空氣密度， t為時(shí)間，u為速度，u'為脈動(dòng)速度，p為壓強(qiáng)， s為源項(xiàng)，下標(biāo)i和j指標(biāo)取值范圍為（1、2、3）。流場(chǎng)仿真計(jì)算邊界條件如下表2所示。

表2 乘客艙內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 非可控泄漏等效開(kāi)口面積標(biāo)定

圖6所示為泄壓閥關(guān)閉時(shí)，流線(xiàn)顯示的乘客艙內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。氣流從4個(gè)空調(diào)出風(fēng)口流出，主要從乘客艙上部流向后方，大部分氣流在第3排座椅的阻礙下，流動(dòng)方向折返向前方，經(jīng)由門(mén)縫等效開(kāi)口流出乘客艙，少部分氣流越過(guò)第3排座椅流向行李廂內(nèi)。

圖7為艙內(nèi)乘客腰部位置水平面和縱向?qū)ΨQ(chēng)平面內(nèi)的氣流速度矢量分布。在座椅的阻礙作用下，氣流在座椅前方形成回流，然后經(jīng)由座椅中間的位置流向乘客艙空間后方，行李廂內(nèi)氣流速度較小。

確定非可控泄漏等效開(kāi)口面積時(shí)，計(jì)算多組艙內(nèi)壓強(qiáng)和非可控泄漏開(kāi)口面積數(shù)據(jù)，擬合得到開(kāi)口面積(y = A/cm2)與艙內(nèi)壓強(qiáng)(x = p/Pa)之間的關(guān)系方程為：y = 0.003 7 x2-1.287 9 x+193.889 1，如圖8所示。由圖8可以看出：非可控泄漏等效開(kāi)口面積與艙內(nèi)壓強(qiáng)之間的變化規(guī)律呈二次多項(xiàng)式的變化關(guān)系。

4.2 可控泄漏等效開(kāi)口面積標(biāo)定

圖9所示為泄壓閥打開(kāi)時(shí)，氣流速度矢量顯示的乘客艙內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程，氣流從空調(diào)出風(fēng)口向后流過(guò)兩排座椅，一部分在第3排座椅阻礙下折返向前，從下方回流到乘客艙前部，大部分氣流越過(guò)第3排座椅，在行李廂內(nèi)從主駕側(cè)的泄壓閥流出乘客艙。氣流的主要途徑流經(jīng)艙內(nèi)乘員的頭部位置，能夠起到較好的空氣流通作用，保持乘客艙內(nèi)空氣質(zhì)量。

圖10為氣流穩(wěn)定后乘客腰部、胸口、頸部和頭部位置水平面內(nèi)的速度分布，可以看出艙內(nèi)乘客周?chē)鷼饬髁鲃?dòng)性較好，有利于較好地保持艙內(nèi)空氣的新鮮程度。

確定可控泄漏等效開(kāi)口面積過(guò)程與前文所述類(lèi)似。初步試算3個(gè)PRV開(kāi)口的艙內(nèi)壓強(qiáng)值，擬合開(kāi)口面積與艙內(nèi)壓強(qiáng)之間的變化關(guān)系方程，根據(jù)方程計(jì)算125 Pa對(duì)應(yīng)的開(kāi)口面積，然后利用這個(gè)開(kāi)口面積進(jìn)行艙內(nèi)流場(chǎng)仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確認(rèn)艙內(nèi)壓強(qiáng)值，最終獲得125 Pa對(duì)應(yīng)的PRV開(kāi)口面積為118.42 cm2。PRV開(kāi)口面積(y= A/mm2) 與艙內(nèi)壓強(qiáng)(x=p/Pa) 的擬合方程為： y = 0.011 1 x2- 3.788 7 x + 418.70，也呈二次多項(xiàng)式的變化關(guān)系，如圖11所示。

4.3 艙內(nèi)壓強(qiáng)與通風(fēng)流量的變化

乘客艙內(nèi)的空氣壓強(qiáng)影響乘客舒適性，較高的耳內(nèi)壓強(qiáng)容易引起不適感而產(chǎn)生抱怨，乘客艙通風(fēng)也需要足夠流量的流動(dòng)空氣，保持艙內(nèi)空氣質(zhì)量。因此在進(jìn)行泄壓閥設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮其與通風(fēng)流量和艙內(nèi)壓強(qiáng)的相互關(guān)系。根據(jù)確定下來(lái)的非可控泄漏和可控泄漏等效開(kāi)口方案，計(jì)算了多個(gè)通風(fēng)流量(x = q/(L·s-1))下的乘客艙內(nèi)壓強(qiáng)(y = p/Pa)值，擬合二者之間的變化關(guān)系方程為： y = 0.004 9 x2- 0.019 9 x + 0.592 4?？梢?jiàn)對(duì)于確定的可控泄漏和非可控泄漏設(shè)計(jì)方案，乘客艙內(nèi)壓強(qiáng)隨通風(fēng)流量的增加而以二次多項(xiàng)式的規(guī)律增大，可以參考這一規(guī)律進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)流量和艙內(nèi)壓強(qiáng)的設(shè)計(jì)。

圖12所示分別為乘客艙內(nèi)平均壓強(qiáng)為87 Pa時(shí)，乘客胸口位置水平面和副駕座椅中間位置豎直平面的壓強(qiáng)分布圖。從圖中可以看出艙內(nèi)前方位置壓強(qiáng)高于后方，這是由于艙內(nèi)前方位置氣流速度高于后方，較高的氣流速度形成較低的壓強(qiáng)分布。乘客艙內(nèi)壓強(qiáng)分布較為均勻，最大和最小壓強(qiáng)的差值小于1 Pa，表明艙內(nèi)空氣流動(dòng)狀況較為理想，沒(méi)有形成局部的較高壓強(qiáng)，泄壓閥的設(shè)計(jì)位置和開(kāi)口面積較為合理。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)乘客艙內(nèi)通風(fēng)和空氣壓強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，難以直接確定非可控泄漏和可控泄漏的難題，根據(jù)艙內(nèi)通風(fēng)流量-艙內(nèi)壓強(qiáng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了準(zhǔn)確的可控泄漏和非可控泄漏等效方案和評(píng)估流程，研究了乘客艙通風(fēng)流量、艙內(nèi)壓強(qiáng)和可控泄漏開(kāi)口面積的相互變化規(guī)律，并對(duì)艙內(nèi)通風(fēng)時(shí)的氣流流動(dòng)狀態(tài)和途徑的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1） 結(jié)合乘客艙內(nèi)通風(fēng)流量-艙內(nèi)壓強(qiáng)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和乘客艙內(nèi)流場(chǎng)CFD仿真，可以獲得準(zhǔn)確的可控泄漏和非可控泄漏開(kāi)口等效方案；

2） 泄漏開(kāi)口面積和乘客艙壓強(qiáng)、乘客艙壓強(qiáng)和通風(fēng)流量之間按照二次多項(xiàng)式規(guī)律變化；

3) 根據(jù)等效開(kāi)口方案和艙內(nèi)流場(chǎng)CFD計(jì)算結(jié)果，能夠?qū)ε搩?nèi)通風(fēng)狀況和氣流途徑進(jìn)行詳細(xì)的分析和評(píng)估，為泄壓閥設(shè)計(jì)和乘客艙舒適性分析提供有益參考。