轎車室內(nèi)空調(diào)環(huán)境的氣流組織改進及數(shù)值模擬研究

周志平，李杰，李明莎

轎車室內(nèi)空調(diào)環(huán)境的氣流組織改進及數(shù)值模擬研究

周志平，李杰*，李明莎

（桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

利用數(shù)值模擬對夏季轎車室內(nèi)三維流場進行分析，構(gòu)建計算域幾何模型與車內(nèi)人體模型，采用RNG湍流模型，并引入太陽射線追蹤的輻射模型模擬夏季太陽輻射對車室內(nèi)空調(diào)環(huán)境的影響，研究對比了風(fēng)口的送風(fēng)速度、數(shù)量以及布置方式等改進措施下的車室內(nèi)溫度場和速度場的分布規(guī)律。計算結(jié)果分析表明，增加送風(fēng)速度和后排送風(fēng)口能明顯改善夏季車室后排熱舒適度；回風(fēng)口的布置對車室內(nèi)流場的分布特性具有明顯影響。

太陽輻射；車室；氣流組織；數(shù)值模擬

引言

隨著生活質(zhì)量的提升和城鎮(zhèn)化建設(shè)帶來更多的用車需求，汽車由曾經(jīng)的奢侈品轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ㄏM品進入千家萬戶之后，人們對于汽車整體的功能配置也日趨多樣化，逐漸開始重視起汽車的安全性、駕駛性和舒適性等各方面性能。在大力發(fā)展汽車技術(shù)的環(huán)境下，汽車室內(nèi)的舒適性研究逐漸受到重視，提高汽車駕駛環(huán)境的舒適性成為各大車企的研究主題，關(guān)于轎車室內(nèi)空調(diào)環(huán)境下的氣流組織也成為了新的研究熱點。

隨著數(shù)值計算精度的高速發(fā)展，更好的區(qū)域適應(yīng)性、更強的魯棒性體現(xiàn)在多學(xué)科中，在研究轎車室內(nèi)氣流組織上運用CFD(Computational Fluid Dynamics)的數(shù)值模擬計算方法可以節(jié)省實驗所需的大量設(shè)備和資源[1-3]。建立合適的數(shù)學(xué)物理模型，設(shè)置合理的邊界條件及參數(shù)進行數(shù)值算法求解就可以得到較為直觀、精度較高的仿真結(jié)果，并且可以與試驗結(jié)果或理論結(jié)果相互驗證，為以后進一步的研究提供指導(dǎo)意義。

1 車室物理模型的建立

1.1 車室模型的簡化

需要建立三維車室模型和人體模型對轎車室內(nèi)的空調(diào)環(huán)境進行數(shù)值模擬，但由于實際轎車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)雜，若以具體車室模型作為計算域，后續(xù)對計算域進行離散處理會大大增加工作量，在前處理過程中表現(xiàn)為劃分網(wǎng)格，過多的網(wǎng)格單元和節(jié)點會占用過多的計算資源，并且車室內(nèi)的一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)無法和整體的網(wǎng)格尺寸相適應(yīng)，會導(dǎo)致網(wǎng)格整體的質(zhì)量降低，影響計算求解。故需要對車室進行一定程度的簡化，忽略對室內(nèi)氣流組織影響較小的結(jié)構(gòu)特征，如門把手、檔位桿、方向盤等零件。儀表臺簡化為直角梯形臺，車頂與兩側(cè)車門分別為水平與垂直平面。

1.2 車室計算域的建立

利用三維建模軟件CATIA對其進行幾何建模，包括車體外圍圍護結(jié)構(gòu)、人體模型、座椅、風(fēng)口等。車室前排共三個送風(fēng)口，其中中央送風(fēng)口（200*70）位于儀表臺中間位置，兩側(cè)送風(fēng)口（100*70）位于兩側(cè)對稱設(shè)置。前排副駕駛側(cè)下方為回風(fēng)口（200*100）。車室流體計算域幾何模型確定之后，對其進行六面體為主的混合網(wǎng)格劃分，并對風(fēng)口、人體模型和座椅進行面網(wǎng)格加密。共劃分總網(wǎng)格數(shù)大約67萬。

圖1 簡化后的車室物理模型和網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)計算模型的建立

2.1 假設(shè)條件

（1）轎車室內(nèi)空氣流動為低速運動的不可壓縮流動，符合Boussineqs假設(shè)。

（2）轎車室內(nèi)空氣為穩(wěn)態(tài)湍流流動，車室內(nèi)空氣視為輻射透明介質(zhì)[4]。

（3）除進、出風(fēng)口轎車室內(nèi)不與外界發(fā)生氣體交換，氣密性良好，不考慮車門車窗的漏風(fēng)影響。

（4）近壁面處的流體運動規(guī)律符合單層壁面函數(shù)法的對數(shù)分布。

2.2 控制方程

自然界中流體的流動符合物理守恒定律，對于任何流動問題，都必須遵循質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律，這些守恒定律的偏微分形式稱為控制方程。

質(zhì)量守恒方程其形式為：

為流體的密度，為時間，、、分別為速度矢量在x方向、y方向、z方向上的分量。

基于大數(shù)據(jù)理念的調(diào)查研究，不僅可以在就某一確定的主題開展問卷調(diào)查的宏觀框架下保持一定的導(dǎo)向性，而且具有一定的開放性。這種研究還有利于全面了解調(diào)查對象的生成性資源，發(fā)掘被調(diào)查問卷的設(shè)計者忽略的因素。特別是通過學(xué)校教師專業(yè)發(fā)展評價系統(tǒng)和教學(xué)信息評價系統(tǒng)獲得的調(diào)查數(shù)據(jù)，如“極課大數(shù)據(jù)”平臺等多個渠道提供的數(shù)據(jù)信息，不僅能體現(xiàn)出信息來源的多維性，而且有利于修正教師專業(yè)發(fā)展評價要素，以及調(diào)整評價系統(tǒng)中子模塊的權(quán)重。

方向上動量方程為：

式中：是靜壓；g是方向上的重力體積力；F是方向上的體積力。

能量方程為：

式中：為熱力學(xué)溫度，c為比熱容，為流體的傳熱系數(shù)，S為粘性耗散項。

太陽輻射與行駛中的轎車車室時刻進行著熱量交換，本文采用離散坐標(biāo)輻射模型來計算輻射傳熱，該模型是各輻射模型中唯一能夠適應(yīng)半透明介質(zhì)并且考慮光的漫反射和鏡面反射的輻射模型，滿足車室輻射求解，輻射傳熱的方程為：

設(shè)置太陽加載模型來考慮太陽的輻射對車室內(nèi)空調(diào)環(huán)境的影響。本文選用太陽射線追蹤法模型，汽車行駛方向為正東方向，太陽輻射強度按桂林地區(qū)計算，東經(jīng)110.28°，北緯25.29°，時間為8月21日下午13：00。

2.3 邊界條件與計算方法

確定邊界條件即確定邊界位置上物理量的分布。本文定義入口邊界條件為Velocity-Inlet，進風(fēng)速度初始值為1m/s，溫度為291K，并假定在同一工況下，前排進風(fēng)口出送出的氣流擁有相同的速度和溫度。出風(fēng)口邊界選擇Pressure Outlet，出口壓力為101325Pa。對于車頂、車窗、車門、內(nèi)室地板等固體壁面邊界按表1設(shè)定，車身壁面剪切條件為無滑移，即車室內(nèi)壁面處的流體與壁面無相對速度。人體壁面邊界設(shè)為第二類邊界條件[5]，表面熱通量為20 W/m2。

表1 車室壁面熱邊界條件

壓力速度耦合方法選用SIMPLE算法，離散格式選擇二階迎風(fēng)離散格式，在單個物理量分布轉(zhuǎn)化連續(xù)物理量分布時可以獲得更高的解算精度[6]。賦予合適的初始值有利于加快收斂的速度，本文選擇中央空氣入口作為初始化條件，各初始量采用默認(rèn)賦值。迭代計算至連續(xù)性方程，x、y、z方向上的速度等殘差達到10-3，能量方程達到10-6時，認(rèn)為計算收斂。

3 計算結(jié)果分析

3.1 初始內(nèi)流場分析

可以看到中央送風(fēng)口的入射氣流穿過前排座椅之間的空隙到達后排區(qū)域，兩側(cè)的入射氣流一部分被人體和座椅阻擋，一部分通過座椅和車身壁面的縫隙而射入后排區(qū)域。（b）中左側(cè)溫度較低的區(qū)域主要集中在后排區(qū)域，前排主駕駛側(cè)的溫度高于副駕駛側(cè)和后排的溫度，主要是由于人體表面散熱導(dǎo)致的，而副駕駛側(cè)的溫度分布較于主駕駛側(cè)更為均勻和舒適，并且后排的溫度也主要集中在乘員頭部部位，會有比較涼爽的乘坐感受。由于整車模擬的環(huán)境條件是夏季炎熱行車工況，送風(fēng)口初始送風(fēng)速度為 1m/s，出射氣流吸卷周圍空氣的能力相對較弱，（d）中風(fēng)口高度速度分布表明氣流穿過前排座椅間隙到達后排時，部分區(qū)域速度接近于0 m/s，無法與周圍空氣充分對流換熱，整體車室的平均溫度高于30℃，低于夏季人體對于車室內(nèi)熱環(huán)境的舒適度要求。

圖2 各截面初始內(nèi)流場分布圖

3.2 考慮車室送風(fēng)速度的影響

為定量研究送風(fēng)速度對車室內(nèi)空調(diào)環(huán)境的影響，設(shè)置送風(fēng)速度為2m/s，送風(fēng)溫度不變，車室內(nèi)溫度、速度分布圖見圖2所示。

如圖3所示，在其他條件不變的情況下，增大前面板三個送風(fēng)口的送風(fēng)速度，有利于車室內(nèi)的整體溫度的降低，從（d）中可以看出，由于風(fēng)速增大，射流到達后排仍具有一定的速度可以充分?jǐn)噭雍笈诺目諝?，帶動后排高溫氣體的流動，后排空間垂直方向上的溫差大約為1℃~2℃，能夠滿足乘客對于“頭涼足暖”的舒適度需求。前排副駕駛側(cè)頭部位置由于氣流對流形成渦旋，加速了與周圍空氣的換熱，并且送風(fēng)速度越大，前排空氣的溫度梯度變化越明顯，溫度分布也越均勻，有利于舒適性的提高。

圖3 送風(fēng)速度v=2 m/s的流場分布圖

3.3 考慮送風(fēng)口的數(shù)量的影響

圖4是3.1節(jié)工況中的人體胸口高度水平溫度分布，其他條件不變，在后排增加了與水平方向呈30°夾角的送風(fēng)口，考慮后排送風(fēng)口的出風(fēng)會造成對后排乘客的直射，風(fēng)速過高會影響乘坐舒適性，故將送風(fēng)速度設(shè)為1m/s，由前、后送風(fēng)口共同作用下的胸口高度水平面溫度分布如圖5所示。

圖4 胸口高度水平溫度分布（前送風(fēng)）

圖4可以看出車室只有前排送風(fēng)，會導(dǎo)致車室后方的溫度分布不均勻，前排座椅后方區(qū)域與后排座椅后方位置存在明顯的三中溫度梯度，而該區(qū)域主要為后排兩側(cè)乘客的活動區(qū)域，乘客會感覺到明顯的溫度差異而覺得不適。對比圖5，可以發(fā)現(xiàn)，采用前、后送風(fēng)口共同送風(fēng)的情況下，車室內(nèi)前后兩排空間的溫度分布更趨于均勻，因為后排帶有一定角度的送風(fēng)射流與前排送風(fēng)射流共同在后排區(qū)域形成對流沖擊，有效解決了左右送風(fēng)射流受到乘員和座椅的阻擋時后排兩側(cè)空間的降溫問題，有利于提高車室內(nèi)乘員的舒適性。

圖5 胸口高度水平溫度分布（前、中送風(fēng)）

3.4 考慮回風(fēng)口的位置的影響

轎車的回風(fēng)口常布置在副駕駛下方或者車室后部，圖6是3.1節(jié)工況中的車室內(nèi)流線軌跡圖，保持參數(shù)設(shè)置都相同，在車室后方座椅后背處車窗下設(shè)置左右各一回風(fēng)口，流線軌跡圖如圖7所示。

圖6 流線軌跡圖（前回風(fēng)口）

圖7 流線軌跡圖（后回風(fēng)口）

對比分析兩種回風(fēng)口布置下的流線軌跡圖，圖6中從送風(fēng)口射流出來的一部分新風(fēng)受到前排座椅和乘員的身體阻擋，形成少部分渦流。對于圖7回風(fēng)口布置在轎車后方的情況，當(dāng)前方射流而來空氣到達后方時，受冷空氣因其自身的流速以及回風(fēng)口的吸流作用，部分氣流還來不及與周圍空氣進行熱交換就進入回風(fēng)口，導(dǎo)致車室的下方缺少射流進行換熱，只有少部分射流過經(jīng)壁面的阻擋形成渦流與周圍空氣進行熱交換，整體上由于空調(diào)冷量的浪費，造成整車車室換熱效率不高；對于回風(fēng)口布置在副駕駛下方的情況，則沒有空調(diào)冷量的浪費，前后排的流線和分布比較均勻，送風(fēng)射流經(jīng)車室后部實體壁面返回前部后又與新風(fēng)射流形成氣流碰撞，導(dǎo)致在前排上方區(qū)域形成更強的渦流進行循環(huán)換熱，車室內(nèi)的換熱效率較后者更高。

3.5 CFD計算誤差分析

在CFD數(shù)值計算的工程中，誤差來源很多，對于本文所研究的模型來說，主要可以分為以下三類：

（1）模型與網(wǎng)格誤差。本文對幾何模型進行了一定程度的簡化，但無法得知簡化的車室結(jié)構(gòu)會對流場造成多大的影響。其次，網(wǎng)格的疏密程度對計算精度有一定影響，理論上網(wǎng)格大小趨于零，離散方程就是精確解，但是隨網(wǎng)格大小的降低，會大大增加計算開銷。本文采用了混合網(wǎng)格在物理梯度變化較大的幾何處進行了局部加密，并且為進一步對比了網(wǎng)格繼續(xù)加密前后的計算結(jié)果，證明了網(wǎng)格大小的獨立性。

（2）邊界條件誤差。確定邊界條件即確定邊界位置上物理量的分布，合理的設(shè)定邊界條件對于數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要。本文的風(fēng)口邊界、固體壁面邊界以及人體熱邊界的設(shè)置主要是基于理論和實驗結(jié)果，所以對于CFD計算，其邊界設(shè)置會存在偏差，只能盡可能的通過實驗測得的數(shù)據(jù)來減小這種偏差所帶來的影響。

（3）湍流模型誤差。湍流模型是對流體流動現(xiàn)象近似描述的計算方法，存在一定的誤差[7-8]。轎車室內(nèi)的空調(diào)射流為三維湍流，并伴隨許多旋渦，基于RANS湍流模型的RNG k-ε模型能夠相對準(zhǔn)確地模擬車室內(nèi)的氣流組織。

4 結(jié)論

（1）在保證乘員舒適度的前提下，夏季車室內(nèi)的空調(diào)環(huán)境適當(dāng)?shù)脑龃笏惋L(fēng)口送風(fēng)速度有利于改善車室內(nèi)熱環(huán)境。

（2）在后排空間溫度分布不均勻的情況下，可以考慮另外增加一個中置送風(fēng)口。通過改進空調(diào)管路設(shè)計，將冷風(fēng)氣流直接導(dǎo)入后排進行均勻換熱，并且后排送風(fēng)口的布置方式多樣化，可適應(yīng)不同車室結(jié)構(gòu)。

（3）回風(fēng)口布置在前方時，車室內(nèi)的整體射流分布比較均勻；而回風(fēng)口布置在后部時，部分的新風(fēng)直接被后回風(fēng)口吸入，導(dǎo)致在車內(nèi)流動區(qū)域較少，整體換熱效率不如前者，可通過改善車室內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加射流流動的時間與空間，從而更好的換熱。

（4）轎車室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多種對流并存，存在速度場與溫度場的相互影響等各方面因素，運用實驗來研究轎車室內(nèi)氣流組織會大大增加實驗?zāi)M的難度，應(yīng)用CFD技術(shù)可以隨時介入整車研發(fā)過程中的任意一個環(huán)節(jié)，降低研發(fā)成本。

[1]馮英.空調(diào)轎車室內(nèi)氣流分布特性及空氣品質(zhì)研究[D].南昌:南昌大學(xué),2012.

[2] Teayoung Han, Linjie Huang.A Sensitivity Study of Occupant Ther -mal Comfort in a Cabin singVirtual Thermal Comfort Eng-ineer -ing[J].SAE paper,2005,36(95):101-106.

[3] Al-Kayiem H H,Sidik M,Munusammy YRAL.Study on the thermal accumulation and distribution inside a parked car cabin[J].American Journal of Applied Sciences,2010,7(6): 784.

[4] 彭榮強.太陽輻射下車輛內(nèi)外溫度場數(shù)值模擬[J].暨南大學(xué)學(xué)報. 2008,29(10):21-26.

[5] 闕雄才.汽車空調(diào)實用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003:66-67.

[6] 盧祖秉.回風(fēng)口布置對轎車室內(nèi)熱環(huán)境影響的數(shù)值分析[J].北京汽車,2009,(6):10-14.

[7] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001,1-4.

[8] 陳江平,闕雄才,陳芝久.空調(diào)轎車降溫特性的數(shù)值擬與實驗研究[J].工程熱物理學(xué)報,1999,02:205-210.

Improvement and numerical simulation of air distribution in car indoor air conditioning environment

Zhou Zhiping, Li Jie*, Li Mingsha

（School of architecture and transportation engineering, Guilin University of Electronic Technology,Guangxi Guilin 541000）

The numerical simulation is used to analyze the three-dimensional flow field in the car interior in summer. The geometric model in the computational domain and the human body model in the car interior are constructed. The RNG turbulence model is adopted and the radiation model of solar ray tracing is introduced to simulate the influence of solar radiation on the indoor air conditioning environment in summer. The temperature field of the car interior under the improved measures of air supply speed, quantity and layout of the air outlet is studied and compared. And the distribution of velocity field. The calculation results show that increasing the air supply speed and the rear air outlet can significantly improve the thermal comfort of the car room in summer, and the layout of the return air outlet has a significant impact on the distribution characteristics of the flow field in the car room.

Solar radiation; Car chamber; Air distribution;The numerical simulation

U463.85+1

A

1671-7988(2019)13-110-04

U463.85+1

A

1671-7988(2019)13-110-04

周志平（1979-），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為暖通空調(diào)與空氣品質(zhì)。

李杰（1993-），男，碩士研究生，就讀于桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，主要研究方向為汽車內(nèi)流場。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.038