王 勇 陳振雷 石 凡 劉攀勇 石永康

(寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院,浙江寧波315800)

駕駛室熱舒適性的優(yōu)劣，不僅影響著駕駛員操縱的穩(wěn)定性，也對(duì)駕駛員的身體健康有著較為顯著的影響。

在工程機(jī)械駕駛室舒適性研究中，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等方法量化評(píng)估和優(yōu)化駕駛室環(huán)境的舒適性是目前的研究熱點(diǎn)之一。良好的熱舒適性駕駛室環(huán)境，既可以緩解人體疲勞，也可以提高駕駛員的工作效率[1]。1936年，Bedford[2]提出了經(jīng)典的7級(jí)標(biāo)度評(píng)價(jià)指標(biāo)，從此奠定了熱舒適性研究的基礎(chǔ)；1970年，F(xiàn)anger[3]教授在結(jié)合美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)七級(jí)熱感覺(jué)指標(biāo)的基礎(chǔ)上提出了著名的預(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)指數(shù)(predicted mean vote,PMV)和預(yù)計(jì)不滿意率(predicted percentage of dissatisfied,PPD)評(píng)價(jià)指標(biāo)，人們對(duì)熱舒適性的研究越來(lái)越重視。Han[4]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真的方法研究某類車廂的降溫過(guò)程，驗(yàn)證了仿真技術(shù)在駕駛室流場(chǎng)分析中的可行性；Shah等[5]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，確定了駕駛室空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化的最佳方案。

本文以某工程機(jī)械駕駛室為例，對(duì)駕駛室熱舒適性進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真模擬，以PMV和PPD為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用C語(yǔ)言結(jié)合Fluent用戶自定義功能，進(jìn)行駕駛室環(huán)境內(nèi)各位置PMV值與PPD值的計(jì)算分析，探究了送風(fēng)方式、送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)溫度等因素對(duì)駕駛室環(huán)境熱舒適性的影響，以尋找改善駕駛室熱舒適性的最佳優(yōu)化方案。

1 仿真分析方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

對(duì)駕駛室環(huán)境空氣的流動(dòng)與傳熱過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，可通過(guò)以下方程描述：

(1)連續(xù)性方程

式中，ρ為流體密度，t為時(shí)間；U=u i+v j+w k，u，v，w表示流速在x，y，z坐標(biāo)方向的分量。

(2)動(dòng)量方程

式中，μ為流體動(dòng)力黏度，SMx為流體源，p為壓力。

(3)能量方程

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，Φ為耗散函數(shù)，T為溫度，S i為體熱源的源項(xiàng)。

1.2 仿真模型

圖1所示為駕駛室的仿真模型和實(shí)際布局。駕駛室由鋼結(jié)構(gòu)板材制成，前部、兩側(cè)車門及駕駛室背部布有玻璃，駕駛室內(nèi)設(shè)有操作臺(tái)、座椅與風(fēng)扇。

圖1 駕駛室仿真模型和實(shí)際布局圖

圖2為駕駛室風(fēng)扇仿真模型圖，風(fēng)扇扇葉半徑約為200 mm，風(fēng)扇輪轂半徑為32 mm，扇葉數(shù)量為3，轉(zhuǎn)速為800 r/min。

圖2 駕駛室風(fēng)扇仿真模型

1.3 網(wǎng)格模型

在流固耦合模型中將整個(gè)駕駛室模型分為三個(gè)部分，分別是駕駛室內(nèi)的流體域、固體域和風(fēng)扇內(nèi)的流體域。采用四面體網(wǎng)格來(lái)劃分駕駛室整機(jī)的固體域和流體域，網(wǎng)格大小為20 mm，整個(gè)模型的網(wǎng)格總數(shù)量為165萬(wàn)，風(fēng)扇模型的網(wǎng)格數(shù)量為53萬(wàn)。圖3和圖4分別是駕駛室整體的網(wǎng)格模型圖和風(fēng)扇的網(wǎng)格模型圖。

圖3 駕駛室整體網(wǎng)格模型圖

圖4 風(fēng)扇網(wǎng)格模型

1.4 邊界條件

(1)太陽(yáng)輻射模擬參數(shù)：太陽(yáng)輻射熱量為1000 W/m2，漫射熱量為200 W/m2。

(2)駕駛室內(nèi)的空氣流動(dòng)采用k?ε湍流模型。

(3)鋼材的材料屬性在Fluent材料數(shù)據(jù)庫(kù)中直接選取，壁面定義為熱對(duì)流邊界，熱對(duì)流換熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取10 W/(m2·K)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得到各壁面的溫度及厚度為：

頂板：壁面空氣溫度為37°C，壁面厚度為2 mm；

底板：壁面空氣溫度為32°C，壁面厚度為3 mm；

背板：壁面空氣溫度為36°C，壁面厚度為1.5 mm；

側(cè)板：壁面空氣溫度為37°C，壁面厚度為1.5 mm。

(4)玻璃壁面參數(shù)：密度為2500 kg/m3、比熱容Cp=750 J/(kg·K)、熱傳導(dǎo)率為1.4 W/(m·K)。壁面邊界定義為熱對(duì)流邊界，玻璃壁面的熱對(duì)流換熱系數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取為6.4 W/(m2·K)，通過(guò)試驗(yàn)得到：前側(cè)和兩側(cè)玻璃壁面空氣溫度為37°C，厚度為5 mm，后側(cè)玻璃壁面空氣溫度為36°C，厚度為5 mm。

2 熱舒適性評(píng)價(jià)分析

2.1 熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)

駕駛室熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)是在民用建筑室內(nèi)熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，PMV–PPD評(píng)價(jià)指標(biāo)是其中較為常用的評(píng)價(jià)體系。

PMV取值范圍為?3～3，PMV為0時(shí)意味著熱環(huán)境熱舒適為最佳狀態(tài)；PMV值越大，人體感覺(jué)越熱，越小則越冷。

PPD取值范圍為5%～100%，取值越小表示熱舒適性越適宜，表1所示為PMV和PPD與熱感覺(jué)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。PPD的計(jì)算公式為

表1 PM V和PPD與熱感覺(jué)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 駕駛室熱舒適性分析

在完成對(duì)駕駛室的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)流場(chǎng)仿真后，本文利用C語(yǔ)言并結(jié)合Fluent用戶自定義功能，編制了相應(yīng)的用戶自定義函數(shù)(user defined function,UDF)，圖5為對(duì)應(yīng)UDF的流程。據(jù)此可以進(jìn)行駕駛室環(huán)境內(nèi)各位置PMV值與PPD值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛室環(huán)境的熱舒適性量化分析。

圖5 UDF程序流程圖

圖6為駕駛室環(huán)境PMV與PPD分布情況，表2為人體各部位PMV和PPD值。由圖6(a)和表2可見，駕駛室整體PMV值較高，人體周圍PMV值均在2.8以上，人體熱感覺(jué)較熱；由圖6(b)和表2可見，駕駛室環(huán)境90%以上的區(qū)域PPD值超過(guò)95%，人體周圍PPD值較高，人體熱感覺(jué)不滿意率較高。綜上可知，當(dāng)前駕駛室環(huán)境的熱舒適性較差，可見僅依靠風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)改善熱舒適性的效果不佳。

圖6 駕駛室環(huán)境PMV和PPD分布圖

3 優(yōu)化分析

本文結(jié)合其他類型車輛駕駛室的設(shè)計(jì)[6]，采用優(yōu)化通風(fēng)方式的措施，改善駕駛室熱舒適性；并探究送風(fēng)方式、送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)溫度對(duì)駕駛室環(huán)境熱舒適性的影響，以確定駕駛室熱舒適性優(yōu)化的最佳方案。

3.1 送風(fēng)方式對(duì)駕駛室熱舒適性的影響

結(jié)合其他車輛駕駛室的研究，提出2種送風(fēng)方式，即前部送風(fēng)和頂部送風(fēng)[7]，并建立駕駛室前部送風(fēng)布局和駕駛室頂部送風(fēng)駕布局方案；探究2種送風(fēng)方式對(duì)駕駛室環(huán)境熱舒適性的影響，選擇最適合該駕駛室的送風(fēng)方式[8]。

3.1.1 駕駛室送風(fēng)布局

圖7所示為駕駛室前部送風(fēng)與頂部送風(fēng)的布局方案。前部送風(fēng)和頂部送風(fēng)分別在操作臺(tái)上和駕駛室頂部布置了5個(gè)送風(fēng)口，兩種布局的出風(fēng)口均位于駕駛室后側(cè)。

兩種送風(fēng)布局口的具體尺寸如下：

前部送風(fēng)：送風(fēng)口90 mm×40 mm(A型)、40 mm×40 mm(B型)、140 mm×70 mm(C型)，出風(fēng)口為12 mm×100 mm；

頂部送風(fēng)：送風(fēng)口為80 mm×66 mm，出風(fēng)口為12 mm×100 mm。

3.1.2 邊界條件

以原駕駛室熱舒適性仿真分析的邊界條件為基礎(chǔ)，對(duì)2種送風(fēng)方式的駕駛室布局進(jìn)行仿真分析，根據(jù)駕駛室實(shí)際工作的環(huán)境，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等邊界條件：

前部送風(fēng)：送風(fēng)風(fēng)速為2 m/s，送風(fēng)溫度為22°C；

頂部送風(fēng)：送風(fēng)風(fēng)速為2 m/s，送風(fēng)溫度為22°C；

出口均設(shè)置為自由出口，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為800 r/min。

3.1.3 仿真分析

通過(guò)UDF程序得到如圖8所示的兩種送風(fēng)方式下駕駛室環(huán)境PMV的分布圖。在前部送風(fēng)狀態(tài)下，人體熱舒適性敏感度最高的面部區(qū)域附近PMV值均在0～1范圍內(nèi)，較優(yōu)于頂部送風(fēng)狀態(tài)，但前部送風(fēng)狀態(tài)下的駕駛室環(huán)境PMV值分布較雜亂，且人體活動(dòng)較為密切的操作臺(tái)附近區(qū)域PMV值為?1～?2，人體熱感覺(jué)略感寒冷；在頂部送風(fēng)狀態(tài)下，駕駛室PMV值分布均勻，且70%區(qū)域的PMV值在0～1.5之間，人體周圍PMV值在1左右，人體熱感覺(jué)較暖。

圖8 前部送風(fēng)和頂部送風(fēng)駕駛室PMV分布情況

圖9為前部送風(fēng)和頂部送風(fēng)狀態(tài)下駕駛室環(huán)境PPD的分布圖。前部送風(fēng)狀態(tài)下，人體面部附近PPD值較優(yōu)，但操作臺(tái)附近、人體軀干及腿部等駕駛室前下部區(qū)域PPD值較高；在頂部送風(fēng)狀態(tài)下，駕駛室環(huán)境90%區(qū)域的PPD值在0～25%之間，人體熱感覺(jué)不滿意率較低。

圖9 前部送風(fēng)和頂部送風(fēng)駕駛室PPD分布情況

圖10為人體各部位PMV值和PPD值，由圖10可見，前部送風(fēng)的通風(fēng)方式對(duì)人體面部的影響較大，但腿部、腹部及駕駛室整體的PMV值與PPD值較高，且人體各部位PMV與PPD數(shù)值大小不均勻；頂部送風(fēng)方式狀態(tài)下，面部的人體熱感覺(jué)為稍暖狀態(tài)，較高于前部送風(fēng)狀態(tài)，身體各部PMV與PPD數(shù)值大小分布較為均勻。此外，與原駕駛室熱環(huán)境下對(duì)比，優(yōu)化后的駕駛室熱舒適性得到較大改善。

圖10 人體各部位PMV值和PPD值(續(xù))

圖10 人體各部位PMV值和PPD值

綜上所述，通過(guò)改變通風(fēng)方式對(duì)駕駛室環(huán)境進(jìn)行熱舒適性優(yōu)化，取得了顯著效果。在改善面部的熱舒適性方面，頂部送風(fēng)較劣于前部送風(fēng)，但頂部送風(fēng)對(duì)駕駛室熱環(huán)境改善效果突出，且熱舒適性分布均勻。同時(shí)，考慮到送風(fēng)口布置的便捷性和人體操作的方便性，建議駕駛室采用頂部送風(fēng)方式。

3.2 送風(fēng)溫度對(duì)駕駛室熱舒適性的影響

以頂部送風(fēng)駕駛室為仿真模型，已建立的仿真流程為基礎(chǔ)，探究送風(fēng)溫度對(duì)駕駛室環(huán)境熱舒適性的影響，達(dá)到通過(guò)改變溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)駕駛室熱舒適性的最優(yōu)化[9]。

(1)工況設(shè)置

根據(jù)已建立的仿真邊界條件，除送風(fēng)溫度外，其他邊界條件均保持不變，設(shè)立4組仿真工況，如表3所示。

表3 送風(fēng)溫度對(duì)熱舒適性的影響

(2)仿真分析

表4為不同工況下人體各部位及駕駛室整體不同工況下的PMV值，圖11為人體各部位及駕駛室整體PMV值隨送風(fēng)溫度變化的曲線圖。由表4和圖11可知，隨著送風(fēng)溫度的降低，人體各部位和駕駛室整體的PMV值不斷減小，即人體熱感覺(jué)由熱變冷。在送風(fēng)溫度為16°C左右時(shí)，人體各部位的PMV均接近為0，即人體熱感覺(jué)為最舒適狀態(tài)[10]。

表4 人體各部位及駕駛室整體的PM V值

圖11 人體各部位及駕駛室整體PMV值隨送風(fēng)溫度變化情況

表5為不同工況下人體各部位及駕駛室整體不同工況下的PPD值，圖12為人體各部位及駕駛室整體PPD值隨送風(fēng)溫度變化的曲線圖。由表5和圖12可知，隨著送風(fēng)風(fēng)速的提高，人體各部位和駕駛室整體的PPD呈先減小再增大的變化趨勢(shì)。在送風(fēng)溫度為16°C左右時(shí)，PPD存在最小值，即人體熱感覺(jué)不滿意率最低，駕駛室環(huán)境熱舒適性達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)[11]。

圖12 人體各部位及駕駛室整體PPD值隨送風(fēng)溫度變化情況

表5 人體各部位及駕駛室整體的PPD值

綜上所述，送風(fēng)溫度對(duì)駕駛室熱舒適性的影響規(guī)律為：送風(fēng)溫度開始降低時(shí)，駕駛室熱舒適性逐漸變優(yōu)；當(dāng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)后繼續(xù)降低送風(fēng)溫度，熱舒適性會(huì)逐漸變差。

4 結(jié)論

本文以某工程機(jī)械駕駛室為例，采用仿真模擬的方法，以PMV和PPD為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算分析了駕駛室夏季熱舒適性，并探究了送風(fēng)方式、送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)溫度對(duì)駕駛室熱舒適性的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)駕駛室環(huán)境熱舒適性的量化分析與優(yōu)化。通過(guò)對(duì)駕駛室熱舒適性的仿真計(jì)算，結(jié)論如下：

(1)相較于前部送風(fēng)方式，頂部送風(fēng)方式不僅可以較好地改善駕駛室環(huán)境的熱舒適性，且可以保證人體各部位及駕駛室整體熱舒適感覺(jué)的分布均勻。

(2)送風(fēng)溫度開始降低時(shí)，駕駛室熱舒適性逐漸變優(yōu)；當(dāng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)后繼續(xù)降低送風(fēng)溫度，熱舒適性會(huì)逐漸變差；此外，相較于送風(fēng)風(fēng)速對(duì)駕駛室熱舒適性的影響，送風(fēng)溫度對(duì)駕駛室熱舒適性的影響更為顯著。