技术：基于流场和温度场的汽车舒适性分析

我国南方地区夏季非常炎热，部分城市甚至超过40℃。由于乘员舱空间狭小且相对封闭，车内的温度快速升高，温度场不均匀性增大，对空调系统设计要求较高。

已有的研究大多着眼于将PMV-PPD、当量温度、整体热感觉偏差和空气龄作为轿车乘员舱热舒适性评价的指标，不过较少从流场和温度场的角度对乘员的热舒适性进行深入分析。而本文中主要基于流场和温度场，利用气流组织形式、吹脸风速、呼吸点温度等指标，分析极端炎热条件下乘客的热舒适性，并给出轿车风道送风风量和入口温度设置的系统性意见，对汽车空调的设计有一定的指导意义。

1、  乘员舱模型

 

使用三维建模软件CATIA对乘员舱进行建模，部件包括车体、座椅、内饰部件、风道和假人等。将模型导入到Star-CCM＋中，经过修复后使用包面的功能提取乘员舱的内表面，如下图所示。

                

车顶隐藏后，可清楚看到乘员舱内部的结构如下图。

               

  2 、CFD 仿真

 

2.1 基本控制方程

气流在风道和乘员舱中流动是复杂的三维湍流流动。湍流计算的基本控制方程是三维不可压缩雷诺时均N-S方程。

（1）连续方程

                

式中：矢量u _i 和u  _j 为平均速度的分量；矢量x _i 和x _j 为坐标分量；p为流体微元的压力；ρ为空气密度；C _p 为比热容；k为传热系数；μ _eff 为湍流有效黏性系数；S _T 为流体内热源由于黏性作用使得机械能转化为热能的部分。

2.2 网格划分 

整个计算模型采用Star-CCM＋中的多面体网格模型，为了计算的准确性，对风道格栅和假人的各个部位等多处进行了加密。

 

2.3 车身材料参数 

由于乘员舱模型部件众多，如仪表板、内饰板和胶条等，而且计算模型是施加了太阳辐射影响的气固耦合模型。

2.4 边界条件设定 

为了提高计算的准确性，空间离散方式采用2阶迎风差分格式。流场计算方式使用SIMPLE算法。由于乘员舱中的流场比较复杂，部分边界的曲率较大，故使用可实现的K-Epsilon湍流模型。计算域的入口是风道底部，经过风道的分流后再从4个出口中出来，如下图所示。此处数值计算仿真和实验的对比不做赘述。

                  

3、 基于流场分析热舒适性

 

3.1 气流组织分析

从下图可知，气流从风道入口进入并经过分流后吹向乘员舱，吹向乘员。此时，一部分气流吹向乘员的手、手臂、躯干和头部，然后经过车顶呈现逆时针漩涡，另一部分气流则是直接经过前排乘员往后排和后备箱流动，接着经过座位底部返回到前排乘员的脚部。此外可以观察到经过驾驶员脚部的气流相对稀疏，因此有可能会导致散热不佳。

             

3.2 吹面风速分析

结合国内外舒适性相关研究和我国国民温度感觉的习惯，夏季将车内平均气流控制在0.5 m／s左右人体感觉最好。

如下图所示，选取驾驶员对称轴截面位置的速度场进行比较分析，送风风量相同时，不同的入口温度下乘员舱内速度场仿真结果并没有明显的区别。

3.3 空气龄分析

平均空气龄，最早由Sandberg在20世纪80年代提出用来综合衡量室内通风换气效果和空气品质的指标，指的是空气由进气口到达室内某一位置的移动时间，反映了空气的新鲜程度。某点的空气龄越小，表示该处的空气越新鲜，空气品质越好。封闭空间中的某一点的空气是由不同空气龄τ的空气组成，设某空气龄的概率分布为f（τ），则某一点的空气龄平均值τ _p 的计算公式如下：

乘客脸部附近靠近鼻子处是乘客直接呼吸空气团的位置，该处的空气新鲜度在很大程度上影响着人的空气新鲜度感受。为方便监测呼吸点附近空气龄和温度，在Star-CCM＋中创建乘客的呼吸点，驾驶员和副驾驶员的呼吸点坐标分别为（1.357，-0.335，0.961）和（1.357，0.335，0.961），如下图所示。

选取乘员呼吸点位置的空气龄进行比较，如下图所示。可以发现随着空气入口温度的增加，乘员脸部附近空气龄降低，但是降低的幅度随入口温度升高而降低。因为提升入口温度有利于增强空气分子的热运动，从而提升空气的运动速率，增加乘员舱内的空气新鲜度，但要以降低乘员和乘员舱内降温效果作为代价，且空气新鲜度的提升幅度有限，最多提升3%～12%。在不同的入口温度下，副驾驶员相比驾驶员脸部附近空气龄都要小3 s左右，说明副驾驶员感受到的空气新鲜度要比驾驶员要稍高。

4、  基于温度场分析热舒适性

 

4.1 乘员舱温度分布

选取驾驶员对称轴截面位置的温度场进行比较分析，如下图所示。随着入口温度的提高，驾驶员对称轴截面位置的温度场整体温度升高，说明乘员舱的整体温度升高。靠近送风口位置的温度最低，而后备箱、后排乘员座位底部和乘员脚部位置由于气流不容易流动。

4.2 乘员身体各部位温度分析

分析乘员头、上臂、大腿和脚部等部位表面平均温度，如下表所示，在相同的条件下，两位乘员的头部、上臂和大腿表面平均温度互有高低，但温差不超过0.5℃。而副驾驶员的脚部表面平均温度却明显比驾驶员的低2.4～5.7℃。说明在一定程度上副驾驶员的热舒适性要比驾驶员的高。原因是实车的排气口设置在副驾驶员的脚部上方，使得副驾驶员的脚部附近的空气流动比驾驶员的脚部附近空气流动更加密集，降温效果更加明显。

4.3 乘员呼吸点温度分析

比较前后排呼吸点温度，如下图所示。相同条件下实验值和仿真值最多相差1.2℃。当风道入口温度越低时，前后排呼吸点温度越低，且在相同的条件下，均比该车型企标既定的临界温度值要低，说明此时乘客呼吸点温度满足既定的舒适度要求。此时气流先经过乘员手、手臂、躯干、脸部，再到车顶后逆时针返回，形成涡流。前排乘员的呼吸监测点恰好在该涡流的中心处附近。在漩涡区中心，风速低，热量容易集聚起来，不利于散热，往往会形成高温区，即所谓的“速度死区”。而后排呼吸点则处于气流涡旋的外围，容易散热，所以前排乘员的呼吸点温度比后排高。

分析不同入口温度范围对空气新鲜度和呼吸点温度的敏感性，如表5所示，入口温度从9.5到16.3℃，每提升1℃，空气新鲜度仅提升0.75%，小于1%，而乘客呼吸点温度升高2.6%，两者相差3.5倍，说明此温度范围内温度升高对乘客呼吸点温度的影响明显比空气新鲜度大，为提高空气新鲜度而牺牲乘客的降温效果在9.5～16.3℃的入口温度范围内显得不划算。

5、结论

 

（1）本文中在考虑太阳辐射情况下建立仿真模型，在不同入口温度条件下，仿真与实验相比，风量误差在4%以内，送风温度和前后排呼吸点温度误差分别在1和1.2℃以内，证明建立的模型具备一定的可靠性和准确性。

（2）随着入口温度的升高，舱内空气新鲜度随之升高，降温效果降低。而空气新鲜度对于入口温度的敏感性在当入口温度处于超过9.5℃的较高温范围时，相比乘员呼吸点温度出现明显衰减，进一步说明当入口温度处于较高温范围时为提高舱内空气新鲜度而牺牲乘员的降温效果显得“得不偿失”。

（4）空调系统在设计时需要考虑舱内空气的流动，调整风道格栅角度，避免置乘员呼吸点于气流涡旋中心造成散热不佳，即避免“速度死区”。同时也要考虑脚部附近空气的流动散热。