基于汽車空調(diào)最大制冷的舒適性虛擬分析

陳鴻明

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

0 引言

汽車空調(diào)最大制冷能力是整車空調(diào)的關(guān)鍵性能之一，如果設(shè)計(jì)較差，會(huì)導(dǎo)致空調(diào)制冷效果不好，直接影響客戶的感知體驗(yàn)。目前，最大制冷性能基本上是通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[1-7]，然后再通過(guò)夏季路試進(jìn)行主觀舒適性評(píng)估。常規(guī)的開(kāi)發(fā)流程在設(shè)計(jì)前期沒(méi)有對(duì)人體舒適性進(jìn)行虛擬仿真[8-12]，而且由于參加路試的測(cè)試人員的體型、胖瘦以及性別的不同都會(huì)導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不一致，無(wú)法完全表征出所有人的舒適性[13-16]。

本文通過(guò)對(duì)前期最大制冷舒適性能的仿真模擬，能夠在早期階段介入舒適性評(píng)估，通過(guò)客觀分析同一個(gè)人體模型而得到最大制冷的舒適性，具有很好的一致性，對(duì)于前期空調(diào)最大制冷的設(shè)計(jì)有更好的指導(dǎo)意義[17-20]。

1 舒適性評(píng)估參數(shù)和舒適性模型介紹

1.1 溫度冷感指標(biāo)

熱環(huán)境綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（PMV）是一個(gè)溫度冷感指標(biāo)，用來(lái)反映人的感知度，在ISO-7730標(biāo)準(zhǔn)中，從-3（冷感）到 0（中間感受）到+3（熱感）共 7個(gè)階段的舒適評(píng)價(jià)。Taitherm軟件從-3到+3擴(kuò)展為-4到+4，如圖1所示增加非常熱和非常冷兩個(gè)溫度指標(biāo)。

圖1 熱感知度

1.2 舒適性模型

采用Taitherm軟件內(nèi)的BerkeleySegment模型，建立人體舒適性模型；此模型可以把人體分為 21部分，如圖2所示；該模型各部分包含16層的邊界層（包括表皮、脂肪、肌肉和骨骼等），可以根據(jù)當(dāng)前的溫度、濕度、速度和人體的新陳代謝，綜合計(jì)算轉(zhuǎn)化成人體的感知度來(lái)給出舒適性的評(píng)估。

圖2 人體模型部位劃分

2 最大制冷耦合計(jì)算分析

為了得到準(zhǔn)確的舒適性結(jié)果，首先要基于虛擬仿真得到最大制冷性能的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)；由于整個(gè)試驗(yàn)涉及到熱輻射和對(duì)流，為了更加準(zhǔn)確，基于Fluent和Taitherm 兩個(gè)軟件進(jìn)行耦合計(jì)算，在耦合之前需要簡(jiǎn)化模型用于 Fluent和 Taitherm 計(jì)算分析的網(wǎng)格模型。

2.1 網(wǎng)格模型

Fluent流場(chǎng)網(wǎng)格首先需要把駕駛艙內(nèi)氣流能夠接觸到的區(qū)域簡(jiǎn)化出來(lái)，汽車出風(fēng)口和風(fēng)道及空調(diào)箱體等，涉及到氣流區(qū)域的面生成大小為2 mm左右的三角形網(wǎng)格，其他區(qū)域可以在15 mm左右，區(qū)域之間均勻過(guò)度，F(xiàn)luent網(wǎng)格簡(jiǎn)化完成后如圖3所示。

Taitherm網(wǎng)格基于流體網(wǎng)格進(jìn)行更改，提取熱輻射所關(guān)注的駕駛艙內(nèi)部件，主要包括前擋風(fēng)玻璃、后側(cè)擋風(fēng)玻璃、側(cè)擋風(fēng)玻璃、儀表板、地毯、座椅、假人模型生成以四邊形為主的網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為15 mm左右，由于不涉及到流體，所以簡(jiǎn)化模型可以去掉空調(diào)箱及相應(yīng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，Taitherm簡(jiǎn)化后的網(wǎng)格模型如圖4所示。

2.2 熄火曬車模擬

圖3 Fluent網(wǎng)格模型

圖4 Taitherm網(wǎng)格模型

網(wǎng)格完成后，首先要模擬整車熄火曬車工況，通過(guò)Taitherm和Fluent進(jìn)行耦合計(jì)算，由于要模擬熱輻射，對(duì)模型上方進(jìn)行光照設(shè)置，使車頂能夠接收到1,000 W/m2的光照，模型計(jì)算是基于環(huán)境溫度為38 ℃、光照為1,000 W/m2的條件下進(jìn)行瞬態(tài)模擬，前后擋風(fēng)玻璃要設(shè)置為半透明模型，并根據(jù)玻璃屬性設(shè)置前擋風(fēng)玻璃吸收率為0.3和透射率為0.6（根據(jù)實(shí)際玻璃的屬性進(jìn)行設(shè)置），設(shè)置前擋風(fēng)玻璃的厚度為 3.5 mm和相應(yīng)的材料屬性，另外設(shè)置儀表板、地毯相應(yīng)材料屬性和厚度及表面屬性吸收率。為了進(jìn)行耦合模擬計(jì)算，首先通過(guò)Fluent計(jì)算出穩(wěn)定的流場(chǎng)結(jié)果，導(dǎo)出 5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min和60 min的對(duì)流換熱系數(shù)給Taitherm，根據(jù)對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，計(jì)算完成后，再把相應(yīng)的壁面溫度再導(dǎo)給Fluent流場(chǎng)模型，F(xiàn)luent通過(guò)導(dǎo)入的壁面溫度，穩(wěn)態(tài)計(jì)算后，導(dǎo)出相應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)給Taitherm模型，如此步驟進(jìn)行多輪耦合，直到壁面溫度達(dá)到穩(wěn)定，如下為某款車型的熄火曬車的工況耦合穩(wěn)定后的Taitherm瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果，如圖5所示。

圖5 Taitherm熄火曬車工況瞬態(tài)計(jì)算

瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果能夠反映出車輛浸置在 38 ℃環(huán)境溫度、60 min內(nèi)受光照熱輻射后的艙內(nèi)溫度的變化，通過(guò)和實(shí)車相同測(cè)點(diǎn)位置溫度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 熄火曬車工況虛擬與測(cè)試值對(duì)比

實(shí)車P1、P2、P3和P4測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，耦合計(jì)算得到的虛擬結(jié)果基本能夠和實(shí)際試驗(yàn)一致性很好，溫度誤差小于 5%，此熄火曬車虛擬結(jié)果可以作為最大制冷工況的初始條件。

圖7 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2.3 空調(diào)最大制冷的模擬

首先對(duì)Fluent模型根據(jù)出風(fēng)口的溫度進(jìn)行虛擬分析，通過(guò)一維仿真計(jì)算或相關(guān)試驗(yàn)給出空調(diào)出風(fēng)口溫度和風(fēng)量，并根據(jù)相應(yīng)的曲線提取 5 min、10 min、15 min和20 min出風(fēng)口的溫度作為Fluent流場(chǎng)的進(jìn)口邊界條件，如圖8所示根據(jù)出風(fēng)口溫度試驗(yàn)值進(jìn)行提取出風(fēng)口各時(shí)間點(diǎn)的溫度，并且分別對(duì)儀表板4個(gè)出風(fēng)口進(jìn)行設(shè)置，4個(gè)出風(fēng)口的布置如下圖9所示：以主駕中間出風(fēng)口為例，風(fēng)道進(jìn)口流量設(shè)置為 25 L/s，5 min、10 min、15 min和20 min的進(jìn)口溫度分別設(shè)置為 10.26 ℃、7.64 ℃、6.77 ℃和6.94 ℃。

圖8 出風(fēng)口溫度值提取轉(zhuǎn)化

圖9 儀表板出風(fēng)口的布置

根據(jù)設(shè)定好的邊界條件進(jìn)行穩(wěn)定迭代計(jì)算，分別得到5 min、10 min、15 min和20 min相應(yīng)的流場(chǎng)，確定氣流的狀態(tài)并得到相應(yīng)時(shí)間下的對(duì)流換熱系數(shù)。

將第一輪對(duì)流換熱系數(shù)和相應(yīng)的流體溫度導(dǎo)入到Taitherm進(jìn)行最大制冷瞬態(tài)模擬，如熄火曬車工程一樣，通過(guò)Fluent和Taitherm軟件的相互多輪耦合計(jì)算，得到最大制冷的瞬態(tài)虛擬結(jié)果，如圖10所示為60 min時(shí)艙內(nèi)及乘客的計(jì)算結(jié)果。

2.4 空調(diào)最大制冷的舒適性計(jì)算

將瞬態(tài)最大制冷的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行舒適性評(píng)估，同時(shí)需確認(rèn)乘客的穿衣指數(shù)和新陳代謝的狀態(tài)。由于模擬高溫環(huán)境下的最大制冷，設(shè)定此乘客穿短袖短褲作為穿衣指數(shù)，最后計(jì)算出最大制冷熱舒適性，結(jié)果如圖11所示。

通過(guò)結(jié)果給出熱舒適性評(píng)估，駕駛員在20 min時(shí)，頭部可達(dá)到自然涼爽的狀態(tài)，比較舒適，并可以通過(guò)瞬態(tài)模擬看出各時(shí)段乘客艙的舒性狀態(tài)，從而給出最大制冷過(guò)程中的舒適性的評(píng)估，前期指導(dǎo)了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

通過(guò)上述對(duì)最大空調(diào)性能舒適性的分析，得出空調(diào)最大制冷的舒適性分析流程，具體如圖12所示。

圖10 Taitherm最大制冷60 min艙內(nèi)的計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

1）熄火曬車和最大制冷過(guò)程的溫度場(chǎng)虛擬仿真，通過(guò)Fluent和Taitherm軟件進(jìn)行耦合計(jì)算，試驗(yàn)與模擬值吻合較好。

2）通過(guò)對(duì)空調(diào)最大制冷性能舒適性的模擬可以從客觀角度給出舒適性評(píng)價(jià)，在前期開(kāi)發(fā)階段給予指導(dǎo)并且減少后期夏季路試的工作量，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。

3）通過(guò)空調(diào)最大制冷的虛擬仿真，對(duì)舒適性模擬形成流程規(guī)范。

圖11 最大制冷的舒適性結(jié)果

圖12 最大制冷的舒適性分析流程