胡耀宗，何鋒，刁雷

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

公路客車為長途客車，載人較多，長時(shí)間車窗緊閉，空氣流通不暢，導(dǎo)致車內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，影響車內(nèi)流場流動，使人體產(chǎn)生不適感。在針對這一問題的研究中，林飛躍[1]研究發(fā)現(xiàn)車廂內(nèi)氣流流動狀況對于車廂里的溫度場影響很大；李俊[2]研究發(fā)現(xiàn)動態(tài)送風(fēng)可顯著降低使用者的整體熱感覺；MCINTYRE[3]研究表明動態(tài)風(fēng)可以改善室內(nèi)熱環(huán)境；康偉[4]證實(shí)動態(tài)空調(diào)策略有利于舒適性改善，采用幅流風(fēng)機(jī)可以使空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速動態(tài)化；趙楠[5]證實(shí)加載幅流風(fēng)機(jī)能改善車廂內(nèi)氣流組織，提高流場均勻度，提高車內(nèi)乘客的舒適性。

目前對公路客車熱舒適性的研究多集中于對空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，關(guān)于動態(tài)擾動氣流對客室流場及溫度場的影響研究較少，在城市軌道交通客車空調(diào)系統(tǒng)中多采用幅流風(fēng)機(jī)，使風(fēng)速動態(tài)化，提高乘客舒適度。

本文主要研究利用幅流風(fēng)機(jī)在客室產(chǎn)生擾動氣流，基于流場和溫度場，利用氣流組織形式、風(fēng)速分布、溫度變化等，分析極端炎熱條件下乘客所處微觀熱流場環(huán)境，對提高客車舒適性有一定意義。

1 理論公式

1.1 基本控制方程

氣流在客車室內(nèi)流動是復(fù)雜湍流流動。湍流計(jì)算基本控制方程是不可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程。

（1）連續(xù)方程

（2）動量方程

（3）能量方程

式中：p——流體微元的壓力；ρ——空氣密度；uj，ui——平均速度的分量；xi，xj——坐標(biāo)分量；Cp——比熱容；k——傳熱系數(shù)；μeff——湍流有效黏性系數(shù)；ST——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。

1.2 幅流風(fēng)機(jī)運(yùn)動方程

設(shè)置幅流風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速為1 420 r/min，在76°角度內(nèi)擺動，在場函數(shù)中設(shè)置擾動函數(shù)為

式中：v——擾動頻率；n——風(fēng)罩轉(zhuǎn)速；t——時(shí)間。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 客車公路模型的建立

建立某12 m 公路客車計(jì)算模型，回風(fēng)口建于客車頂部中間處，送風(fēng)口簡化為長條對稱分布于汽車兩側(cè)，在汽車頂部增加兩處用于安裝幅流風(fēng)機(jī)，將由風(fēng)機(jī)葉輪、風(fēng)機(jī)風(fēng)罩和出氣欄柵組成的幅流風(fēng)機(jī)加載在客車上。為劃分優(yōu)質(zhì)網(wǎng)格，將客車其余零部件簡化處理，具體布置如圖1 所示。建立1.75 m人體模型，無規(guī)律地分布在汽車內(nèi)，模擬乘客真實(shí)狀態(tài)。處理后模型如圖2 所示。

圖1 客車布置細(xì)節(jié)圖Fig.1 Bus layout detail drawing

圖2 某12 m 長公路客車Fig.2 A 12-meter-long road bus

2.2 網(wǎng)格劃分

通過STAR-CCM+對計(jì)算模型進(jìn)行表面重構(gòu)和表面自動修復(fù)，生成增強(qiáng)質(zhì)量的三角形面網(wǎng)格。為提高計(jì)算準(zhǔn)確性，對風(fēng)機(jī)葉輪、風(fēng)罩生成棱柱層及細(xì)化網(wǎng)格，最后得到客車及幅流風(fēng)機(jī)整體網(wǎng)格數(shù)量為334 萬個(gè)。劃分網(wǎng)格模型如圖3 所示。

圖3 求解域網(wǎng)格Fig.3 Solving domain grid

2.3 模型及邊界條件的設(shè)定

為研究乘客舒適性，選擇舒適性求解模型。太陽輻射會引起車廂內(nèi)空氣速度場和溫度場的波動變化，對車廂內(nèi)乘客的熱舒適性產(chǎn)生影響，為使仿真更接近現(xiàn)實(shí)情況，須考慮太陽輻射模型，具體邊界條件如表1 所示。

表1 邊界條件參數(shù)Tab.1 Boundary condition parameters

數(shù)值計(jì)算過程中，太陽輻射計(jì)算量大，應(yīng)縮短計(jì)算周期，保證仿真正常進(jìn)行，對結(jié)果影響較大的客車區(qū)域塊/面比例設(shè)置為25.0，其余非重要區(qū)域設(shè)置為10.0。

如圖4 所示，對司機(jī)和分散于前中后的3 名乘客，共4 人調(diào)用熱舒適性向?qū)гO(shè)置乘客屬性，用以監(jiān)測人體熱舒適變化情況。

圖4 客室內(nèi)監(jiān)測乘客分布Fig.4 Monitoring passenger distribution in passenger compartment

3 數(shù)值計(jì)算方法

3.1 熱流場分析

設(shè)置2 組工況：（1）客車上未加載幅流風(fēng)機(jī)，進(jìn)風(fēng)口處溫度為20℃非動態(tài)計(jì)算工況（工況1）；（2）客車上加載幅流風(fēng)機(jī)，進(jìn)風(fēng)處溫度為20℃動態(tài)計(jì)算工況（工況2）。

在安裝幅流風(fēng)機(jī)的2 個(gè)部位和中間部位設(shè)立3個(gè)監(jiān)測面，保證檢測處涉及整車客室。圖5 所示為前風(fēng)機(jī)截面處流場圖。工況1 中，冷射流經(jīng)送風(fēng)口向室內(nèi)擴(kuò)散，而冷射流強(qiáng)度不足以充斥整個(gè)客室。如圖5（a）所示，乘客上半身持續(xù)受到冷空氣直射，會導(dǎo)致乘客冷感，舒適性差；加載幅流風(fēng)機(jī)后，能擾動客室內(nèi)流場。如圖5（b）所示，幅流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的擾動氣流改變了原有流場，將流場“死角”減少了40%。

圖5 前風(fēng)機(jī)截面處流場云圖Fig.5 Cloud image of flow field at front fan section

圖6（a）中，冷射流因乘客和座椅的阻擋不能到達(dá)車廂中下部，不利于乘客全方位散熱；在圖6（b）中，流場改變明顯，加載幅流風(fēng)機(jī)后，通過其擾動作用，室內(nèi)流場變均勻，特別是左側(cè)下部從無風(fēng)感區(qū)，平均流速升高到0.4 m/s，使得乘客大腿等下半身接觸制冷量增多，換熱效率提高，改善了乘客舒適性。結(jié)合國內(nèi)外舒適性相關(guān)研究和我國國民溫度感覺的習(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[7]。圖6（b）左側(cè)經(jīng)過幅流風(fēng)機(jī)擾動后氣流平均流速在0.5 m/s 左右，符合人體舒適性要求。

圖6 中間截面處流場云圖Fig.6 Cloud image of flow field at middle section

如圖7 所示，后車廂截面處流場較前車廂流場均勻度提高，但工況1 車廂左側(cè)冷空氣也存在流入車廂底部冷量不足現(xiàn)象。在幅流風(fēng)機(jī)的改進(jìn)下，流場平均速度提高了0.3 m/s 左右，氣流動能增大有利于車內(nèi)熱量散出。

圖7 后風(fēng)機(jī)截面處流場云圖Fig.7 Cloud image of flow field at section of rear fan

圖8 為客車回風(fēng)口處溫度云圖。在提供冷量不變的前提下，廢排風(fēng)口處空氣溫度升高，原因是在幅流風(fēng)機(jī)的擾動下，車廂內(nèi)氣流擾動變快，空氣換熱效果增強(qiáng)。廢排風(fēng)口左側(cè)氣溫升高明顯處平均溫度從23℃升高到25℃，結(jié)合流場發(fā)現(xiàn)氣流在幅流風(fēng)機(jī)的擾動下，左側(cè)氣流平均風(fēng)速以及能達(dá)到的范圍也更大，帶走熱量更多，兩者相吻合。

圖8 廢排風(fēng)口處溫度云圖Fig.8 Cloud image of temperature at waste exhaust outlet

在前風(fēng)機(jī)和后風(fēng)機(jī)截面車廂處創(chuàng)建流場、溫度場綜合對比圖，發(fā)現(xiàn)當(dāng)某處區(qū)域風(fēng)速越低或溫度越高時(shí)，乘客整體熱感覺越不好。圖9 中，工況1處大面積區(qū)域風(fēng)速接近于0 m/s，集中分布在25～27 ℃之間，氣流不易流動區(qū)域，致使熱量積聚，溫度較高，使室內(nèi)的沉悶感加重。工況2 處區(qū)域整體風(fēng)速分布與工況1 處大致相同，但無風(fēng)感區(qū)域較工況1 明顯改善，在幅流風(fēng)機(jī)的擾動下，車內(nèi)流場流速提高。

圖9 流場-溫度示意圖Fig.9 Schematic diagram of flow field and temperature

兩截面最高溫度隨風(fēng)機(jī)的擾動都有所降低，前風(fēng)機(jī)處高溫降低在0.4 ℃左右，后風(fēng)機(jī)區(qū)域處降低1～2℃，后車廂區(qū)域溫度降低明顯，考慮到所設(shè)太陽輻射條件，太陽輻射對前車廂的影響更大，車內(nèi)溫度場降低0.4 ℃已是良好的效果。低溫方面，在風(fēng)機(jī)的擾動下，前車廂和后車廂的低溫處并沒有出現(xiàn)走低的狀況，且在0.10～0.25 m/s 處溫度較不加風(fēng)機(jī)區(qū)域還有回升，說明在幅流風(fēng)機(jī)的擾動下，氣流可以把低溫區(qū)域帶到高溫處，調(diào)節(jié)車室內(nèi)溫度場加速換熱，但不易使乘客感覺到冷。

3.2 人體表面平均溫度分析

對4 個(gè)人體模型的14 個(gè)區(qū)域進(jìn)行溫度監(jiān)測，通過分析人體表面平均溫度，監(jiān)測幅流風(fēng)機(jī)是否會對人體起到降溫作用。

如圖10 所示，不同位置的乘客，在加載幅流風(fēng)機(jī)后人體絕大多數(shù)部位的溫度都有所降低；其中前排乘客表面平均溫度降低0.2℃。幅流風(fēng)機(jī)的擾動，使得人體周圍微觀環(huán)境處于動態(tài)狀態(tài)，氣流擾動能力增強(qiáng)，換熱能力越強(qiáng)，但加載幅流風(fēng)機(jī)并沒有使人體全部部位溫度降低，各人體都出現(xiàn)溫度并沒有明顯變化的部分，這是由于隨著空間不斷擴(kuò)展，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速衰減。

圖10 乘客表面平均溫度Fig.10 Average passenger surface temperature

在加載幅流風(fēng)機(jī)的工況下，后排與中間排乘客的下半身表面平均溫度降低幅度比其上半身表面平均溫度降低的幅度大，因?yàn)檫@2 排乘客區(qū)域內(nèi)，乘客上半身始終處在進(jìn)風(fēng)口處，不論是否加載幅流風(fēng)機(jī)均能得到較好程度的降溫，因此溫度變化不大，而在工況1 下，氣流難以到達(dá)乘客下半身，使得其與微觀環(huán)境換熱差，在加載幅流風(fēng)機(jī)后，提高了其換熱能力，使得乘客下半身溫度降低程度變大。在幅流風(fēng)機(jī)的擾動下，氣流流動區(qū)域變大，可覆蓋乘客全身，且流動頻率加快，換熱能力及范圍均得到提高。

后排乘客表面平均溫度比其他乘客表面溫度低0.5 ℃，在加載幅流風(fēng)機(jī)后，較其他乘客相比，溫度降低幅度在0.1 ℃之內(nèi)，降幅小，在溫度較低時(shí)，并不會出現(xiàn)大幅度降溫，與3.1 中溫度、流場對比圖中低溫區(qū)域相符，幅流風(fēng)機(jī)的擾動并不會使乘客感到過度的冷感。

4 結(jié)論

對比有無加載幅流風(fēng)機(jī)的2 種工況，基于流場和溫度場，利用氣流組織形式、風(fēng)速分布、溫度變化等，得到以下結(jié)論：（1）加載幅流風(fēng)機(jī)能擾動客室流場，改善流場分層現(xiàn)象，提高其均勻度，增強(qiáng)客室與外界換熱能力；（2）在幅流風(fēng)機(jī)的作用下，人體表面平均溫度降低，在帶走微觀環(huán)境熱量的同時(shí)，也不至使乘客感受到冷感，提高乘客舒適性。