汽車乘員艙內(nèi)溫度場的數(shù)值仿真及試驗(yàn)研究

蘭鳳崇 魏文 郭巧嫣 李麗芬

摘要：建立了自然暴曬下汽車乘員艙內(nèi)的溫度場流場模型，考慮車身傳熱、車內(nèi)空氣流動(dòng)和人體散熱的影響，對(duì)乘員艙內(nèi)傳熱過程進(jìn)行模擬計(jì)算。通過暴曬升溫試驗(yàn)和制冷降溫試驗(yàn)分析制冷模式關(guān)閉和開啟2種工況下乘員艙溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明，在制冷工況下前排的冷卻效果比后排好，但垂直方向上局部溫度差異較大，人體表面存在較大溫差。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較吻合，并發(fā)現(xiàn)前、后排的熱不均勻性在冷卻風(fēng)作用下有不同程度的改善，在制冷初始階段（10 min內(nèi)）乘員艙的溫度變化較為劇烈，對(duì)人體熱舒適性影響大。研究成果對(duì)優(yōu)化空調(diào)設(shè)計(jì)和提高汽車的乘員熱舒適性有重要意義。

關(guān)鍵詞：汽車熱舒適性；太陽輻射；空調(diào)系統(tǒng)；人體散熱；車內(nèi)溫度場

中圖分類號(hào)：U463。83；TB61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

舒適環(huán)保是消費(fèi)者購買汽車的一個(gè)重要的考慮因素，汽車乘員艙內(nèi)的熱舒適問題已經(jīng)成為廣大消費(fèi)者、研究學(xué)者和汽車廠商關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題。車內(nèi)小空間熱環(huán)境和乘員熱舒適性密切相關(guān)，車內(nèi)的空氣溫度、相對(duì)濕度、氣體流速和平均輻射溫度等環(huán)境因素直接作用于人體體表，影響乘員的主觀熱舒適感覺。汽車空調(diào)是調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度、濕度、空氣清潔度和空氣流動(dòng)性的主要手段，也是提高乘員乘坐舒適性的主要途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在城市行車中，85%的旅程在18 km以內(nèi)，行車耗時(shí)約15～30 min＼[1＼]。文獻(xiàn)＼[2＼]和文獻(xiàn)＼[3＼]的研究表明，在不考慮人體散熱的情況下，空調(diào)制冷模式開啟后的10 min和15 min內(nèi)，車內(nèi)溫度變化相對(duì)劇烈，之后車廂熱環(huán)境變化較小?？梢?，人們從外部環(huán)境進(jìn)入車內(nèi)后短時(shí)間內(nèi)的熱舒適感覺對(duì)整車的乘坐熱舒適性評(píng)價(jià)是相當(dāng)重要的。汽車空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境調(diào)節(jié)至人體的舒適范圍，還應(yīng)避免因溫度變化過快引起人體的熱不舒適感。汽車空調(diào)的設(shè)計(jì)不僅要著眼于縮短使車內(nèi)熱環(huán)境達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間和保證達(dá)到穩(wěn)態(tài)后乘員的熱舒適性，還應(yīng)保證在升溫或降溫的動(dòng)態(tài)過程中乘員的熱舒適性。因此，研究自然暴曬中空調(diào)開啟后乘員艙內(nèi)熱環(huán)境的變化規(guī)律，對(duì)提高整車的乘坐熱舒適性、增強(qiáng)汽車的市場競爭力有重要意義。

太陽輻射、空調(diào)系統(tǒng)和人體散熱是影響乘員艙熱環(huán)境的主要因素。國內(nèi)外學(xué)者就其中一個(gè)或某幾個(gè)因素對(duì)乘員艙熱環(huán)境的影響進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)＼[4＼]將車身壁面溫度設(shè)為定溫，對(duì)比不同局部制冷策略下駕駛員的熱感覺和熱舒適性。文獻(xiàn)＼[5＼]通過數(shù)值方法研究了空調(diào)出風(fēng)的流量、速度和溫度等流量參數(shù)和出風(fēng)口面積、形狀等幾何參數(shù)對(duì)駕乘人員局部和整體熱舒適性的影響。文獻(xiàn)＼[6＼]比較有/無搭載人員兩種情況下，空調(diào)冷卻風(fēng)射出角度對(duì)車內(nèi)溫度場和流場的影響。文獻(xiàn)＼[7＼]通過試驗(yàn)分析濕度對(duì)車內(nèi)溫度及乘員熱舒適性的影響。國內(nèi)學(xué)者也針對(duì)轎車、客車等不同車型開展相關(guān)研究＼[8-10＼]。已有學(xué)者根據(jù)乘員熱舒適性和車內(nèi)溫度場的要求來改進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)[11-12]。如蘆克龍等＼[13＼]將重型貨車空調(diào)系統(tǒng)和乘員艙作為一個(gè)整體，加入駕駛員模型，根據(jù)乘員的熱舒適性對(duì)空調(diào)的風(fēng)道設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到改善駕駛員熱舒適性的目的。黃木生＼[14＼]構(gòu)建了適用于評(píng)價(jià)微型車乘員艙乘員熱舒適度的準(zhǔn)則，在某款微型汽車的開發(fā)中得到應(yīng)用。

本文結(jié)合數(shù)值仿真和物理試驗(yàn)對(duì)太陽輻射、空調(diào)系統(tǒng)和人體散熱共同作用下乘員艙內(nèi)熱環(huán)境和人體體表溫度的熱響應(yīng)過程進(jìn)行研究，建立了乘員艙內(nèi)的溫度場流場模型，包括乘員艙傳熱模型、車內(nèi)空氣流模型和人體散熱模型，仿真得到乘員艙的穩(wěn)態(tài)溫度場和人體表面溫度分布；在空調(diào)關(guān)閉的情況下對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行1 h的空車自然暴曬試驗(yàn)，緊接著試驗(yàn)人員進(jìn)入副駕駛座開始30 min的空調(diào)制冷試驗(yàn)，研究成果為設(shè)計(jì)高效的空調(diào)控制策略提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)減小乘員艙熱負(fù)荷、提升乘員的熱舒適感覺的目的。研究成果對(duì)構(gòu)建節(jié)能、舒適、安全的車內(nèi)乘坐環(huán)境具有深遠(yuǎn)意義。

1乘員艙內(nèi)溫度場流場模型

1。1物理模型

以某轎車車廂簡化模型為研究對(duì)象，見圖1。該車廂幾何模型長2 610 mm，寬1 715 mm，高1 780 mm；副駕駛座上安裝人體模型；空調(diào)系統(tǒng)的4個(gè)出風(fēng)口對(duì)稱布置在前排的儀表板上，中間2個(gè)、兩側(cè)各一個(gè)；空調(diào)回風(fēng)口位于副駕駛座下方。

1。2數(shù)學(xué)模型

計(jì)算流體力學(xué)理論以3個(gè)流動(dòng)基本方程為基礎(chǔ)，遵守質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。乘員艙內(nèi)空氣的流動(dòng)和熱傳遞滿足質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。直角坐標(biāo)系下這3個(gè)基本方程可分別表示為：

ρt+ρuixi=0； （1）

（ρui）t+（ρuiuj）xi=-Pxi+（τij）xj+Fi； （2）

（ρT）t+（ρuiT）xi=xi（kcpTxi）+ST。（3）

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；x為坐標(biāo)分量；i，j=1，2，3，表示直角坐標(biāo)中相互垂直的坐標(biāo)方向；ui為速度矢量；P為流體單元受到的壓力；τij為流體單元表面上的粘性應(yīng)力分量；Fi為流體單元上的體力；T為溫度；k為流體的傳熱系數(shù)；cp為比熱容；ST為粘性耗散項(xiàng)。

人體因新陳代謝會(huì)向外散發(fā)熱量，本文將乘員簡化成散熱恒定的熱源，熱流密度為150 W/m2，不考慮服裝熱阻。

1。3邊界條件

邊界條件的設(shè)置對(duì)數(shù)值仿真的結(jié)果有很大影響，應(yīng)盡量貼合實(shí)際。參考已有研究成果，并考慮汽車實(shí)際的使用工況，設(shè)置的邊界條件具體如下：

1）4個(gè)空調(diào)出風(fēng)口采用速度入口邊界條件，儀表板兩側(cè)的出風(fēng)風(fēng)速為7 m/s、溫度為290 K，湍動(dòng)能k=0。184，湍動(dòng)耗散率ε=1。43；儀表板中間的2個(gè)出風(fēng)口風(fēng)速為10 m/s、溫度為290 K，湍動(dòng)能k=0。175，湍動(dòng)耗散率ε=1。33；

2）空調(diào)回風(fēng)口為壓力出口，P=101 325 Pa；

3）車廂地板和車身定義為無滑移的壁面邊界條件；

4）車窗、天花板、儀表板及座椅參與車廂內(nèi)的對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射熱交換過程，設(shè)為外部輻射邊界條件；

5）選用DO模型計(jì)算太陽輻射強(qiáng)度，認(rèn)為車內(nèi)空氣是不可壓縮的。

2乘員艙內(nèi)熱環(huán)境仿真分析

仿真得到乘員艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度場，見圖2。人體模型的表面溫度大多處于306～310 K；兩側(cè)手臂由于受空調(diào)冷風(fēng)直吹，溫度較低，溫度為298～300 K；兩側(cè)肩膀和大腿根部的溫度最高，約318 K。汽車內(nèi)表面的最高溫度出現(xiàn)在后窗臺(tái)的邊角位置，約322 K；儀表板靠近前風(fēng)擋玻璃的位置也呈現(xiàn)出較高的溫度。截取4個(gè)截面，研究乘員艙內(nèi)的空氣溫度分布。具體位置是：截面Ⅰ，前排座椅側(cè)前150 mm垂直剖面；截面Ⅱ，后排座椅側(cè)前150 mm垂直剖面；截面Ⅲ，副駕駛員位置縱向中剖面；截面Ⅳ，副駕駛員胸部水平剖面，見圖3。

圖4為各截面溫度分布情況，4個(gè)截面中溫度波動(dòng)都保持在4 K以內(nèi)，乘員艙內(nèi)車內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度場的溫度均勻性較好。截面I和截面Ⅲ均顯示前、后乘員艙的腳部溫度都比胸部和頭部溫度高出2 K；截面I顯示，兩側(cè)車門附近、高度相當(dāng)于乘員小臂位置的空氣溫度低于其他位置的空氣溫度；截面Ⅱ中，各個(gè)位置的溫度差異較?。唤孛姊麸@示乘員胸部水平面上車廂內(nèi)各處的溫度值，前儀表板溫度較高，其他位置的溫度基本相同。

太陽輻射、空調(diào)送風(fēng)方向和車內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響乘員艙內(nèi)不同位置的冷卻效果。駕駛座和副駕駛座的乘員外側(cè)小臂位置受到冷卻風(fēng)的直吹作用，冷卻效果明顯，溫度比肩部和腳部低。太陽光通過車窗玻璃直接照射在儀表板和后窗臺(tái)上，二者吸收的熱量較多；儀表板表面位于空調(diào)出風(fēng)口上方，冷卻風(fēng)只能通過自由擴(kuò)散達(dá)到該區(qū)域，對(duì)流冷卻強(qiáng)度明顯不足；空調(diào)出風(fēng)口全都安裝在前排的儀表板上；冷卻風(fēng)受到人體和座椅等固體區(qū)域的阻礙，到達(dá)后排時(shí)速度減小且因吸熱而導(dǎo)致溫度上升，對(duì)后排的冷卻效果較差，在后窗臺(tái)貼近后車窗的狹小空間內(nèi)形成氣流死角，冷卻效果較差。冷卻風(fēng)流到后排時(shí)，方向性減弱而向各個(gè)方向發(fā)散，因而各個(gè)位置的冷卻程度沒有明顯的差別。

確測

量分布在乘員艙各處的空氣溫度，在乘員的頭部、胸部和腳部位置都布置了溫度傳感器，前后排各3個(gè)測量點(diǎn)；車內(nèi)零部件表面溫度的7個(gè)溫度測量點(diǎn)分布在儀表板、天花板、前風(fēng)擋玻璃、駕駛員側(cè)的坐墊和靠背、副駕駛員側(cè)的坐墊和靠背，具體的測

點(diǎn)位置見圖6。數(shù)據(jù)采集器每5 s采集一次溫度數(shù)據(jù)。

3。1試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

各零部件表面溫度和人體體表溫度的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比如表1和表2所示。除了座椅外，其他位置的試驗(yàn)值和仿真值誤差均控制在10%之內(nèi)，整體上仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可認(rèn)為符合工程計(jì)算的要求，驗(yàn)證了前述計(jì)算模型選擇和邊界條件設(shè)置的合理性和準(zhǔn)確性。

（a）試驗(yàn)車輛

（b）部分測點(diǎn)布置

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場

Fig。5Test site

（a） 主視圖

（b） 俯視圖

圖6溫度測點(diǎn)分布

Fig。6Temperature sensors distribution

表1零部件表面溫度

Tab。1Parts surface temperature

名稱

試驗(yàn)結(jié)果

/℃

仿真結(jié)果

/℃

誤差

/%

儀表板

30。6

32。1

-4。6

前風(fēng)擋玻璃

25。2

23。4

7。1

座椅

28。1

24。9

11。1

天花板

27。4

25。9

5。5

表2人體表面皮膚溫度

Tab。2Human body skin temperature

名稱

試驗(yàn)結(jié)果

/℃

仿真結(jié)果

/℃

誤差

/%

頭部

33。3

32。1

3。6

背部

36。6

34。4

6。0

胸部

32。6

34。4

-5。2

腹部

33。1

31。2

2。7

胳膊

29。3

27。6

5。8

大腿

34。5

35。7

-3。4

小腿

32。7

34。1

-5。8

3。2試驗(yàn)結(jié)果分析

3。2。1暴曬升溫階段的試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Matlab對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。暴曬升溫階段車內(nèi)沒有搭載人員、空調(diào)關(guān)閉，乘員艙溫度主要受太陽輻射的影響。

車內(nèi)空氣平均溫度和零部件表面平均溫度的變化如圖7所示，該組數(shù)據(jù)通過對(duì)測點(diǎn)溫度進(jìn)行算術(shù)平均得到。在太陽下暴曬1 h后，車內(nèi)空氣平均溫度和零部件表面平均溫度分別達(dá)到了44 ℃和49 ℃。各零部件表面溫度變化如圖8所示。由于儀表板受到通過車窗玻璃的太陽光直射，所以其溫度始終高于前擋風(fēng)玻璃和天花板，最高溫接近65 ℃；前擋風(fēng)玻璃透射太陽光，吸熱量較小，最高溫約50 ℃；無法接受太陽直射的天花板最高溫只有46 ℃。駕駛員側(cè)坐墊和靠背的溫度都高于副駕駛員側(cè)對(duì)應(yīng)位置的溫度，溫升速率也快于副駕駛側(cè)。太陽光主要從駕駛員側(cè)車窗玻璃進(jìn)入車廂內(nèi)部，導(dǎo)致正駕駛和副駕駛兩側(cè)的座椅表面溫度差異較大。圖9和圖10分別為乘員艙前排和后排的垂直方向上的空氣溫度變化。前排和后排垂直方向的溫度場分布基本相同，溫度從低處往高處逐漸增加，腳部、胸部和頭部溫度分別約為37 ℃，47 ℃，19 ℃。隨著暴曬時(shí)間的增長，垂直方向上的溫差也逐漸拉大。暴曬初始，頭部位置和腳部位置的溫度差約5 ℃，而在暴曬后期，溫差增大到12 ℃左右。造成這種差異的主要原因是車門阻擋部分太陽輻射，使腳部位置空氣的受光量較小，所以溫度上升幅度較小。在暴曬結(jié)束時(shí)，儀表板表面的溫度最高（65 ℃），前、后排腳部位置的溫度最低（約37 ℃），說明車內(nèi)熱環(huán)境整體溫度較高、區(qū)域溫度差異性十分明顯。如果不能在短時(shí)間內(nèi)有效地降低乘員艙內(nèi)的溫差和高溫狀態(tài)，將會(huì)對(duì)前后排的乘坐熱舒適性造成極大影響。

3。2。2制冷降溫階段的試驗(yàn)結(jié)果分析

在制冷降溫階段乘員艙熱環(huán)境受太陽輻射、冷卻風(fēng)和人體散熱3個(gè)因素的綜合影響。

如圖11所示，在整個(gè)降溫過程零部件表面平均溫度始終高于空氣的平均溫度。在制冷的初始階段（10 min內(nèi)），零部件和車內(nèi)空氣的平均溫度均出現(xiàn)大幅度下降，分別降低10 ℃和17 ℃，零部件的表面溫度變化曲線相對(duì)平緩。在隨后的20 min降溫過程中，零部件表面溫度和車內(nèi)空氣溫度變化較小，可認(rèn)為車內(nèi)的熱環(huán)境達(dá)到平衡狀態(tài)。

4結(jié)論

結(jié)合數(shù)值仿真和物理試驗(yàn)對(duì)汽車乘員艙內(nèi)溫度場變化規(guī)律進(jìn)行研究，建立乘員艙內(nèi)的溫度場流場模型，計(jì)算制冷工況下乘員艙內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度分布，通過試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，并通過對(duì)比空調(diào)制冷關(guān)閉/開啟2種情況下汽車乘員艙熱環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，分析太陽輻射、人體散熱和空調(diào)系統(tǒng)對(duì)乘員艙溫度場穩(wěn)態(tài)分布和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的影響。

太陽輻射對(duì)乘員艙熱環(huán)境的影響在空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)較為突出，太陽光照射的時(shí)間越長，乘員艙垂直溫差越大，暴曬升溫過程中，頭部和腳部位置的溫差從5 ℃增加到12 ℃，會(huì)給人體造成強(qiáng)烈的瞬時(shí)熱沖擊，引起乘員的熱不舒適感。人體會(huì)阻礙空調(diào)風(fēng)的流動(dòng)，但人體散熱對(duì)乘員艙溫度分布的影響可以忽略。

空調(diào)系統(tǒng)的出風(fēng)口位置和送風(fēng)方向?qū)Τ藛T艙熱環(huán)境和乘員體表溫度有決定性的影響。空調(diào)出風(fēng)口全布置在前排儀表板上，對(duì)前排的冷卻效果優(yōu)于后排，能不同程度地降低前、后排垂直溫差，對(duì)后排空間的冷卻程度較一致；受到冷卻風(fēng)直吹的人體部位呈現(xiàn)較低溫度，乘員體表出現(xiàn)明顯溫差；在制冷的初始階段（<10 min），乘員艙內(nèi)溫度變化劇烈，這段時(shí)間內(nèi)乘員可能因冷卻效果不佳、冷卻時(shí)間過長或降溫過快而產(chǎn)生熱不舒適感。

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