某A級(jí)車乘員艙舒適性的影響因素研究

李四旺，馮鴻飛，汪軻

某A級(jí)車乘員艙舒適性的影響因素研究

李四旺，馮鴻飛，汪軻

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

汽車空調(diào)舒適性的影響因素眾多，運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)乘員艙舒適性影響因素進(jìn)行研究，分析不同出風(fēng)口風(fēng)速、不同出風(fēng)口風(fēng)溫及太陽(yáng)輻射對(duì)于乘客舒適度的影響，從而對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和自動(dòng)空調(diào)的標(biāo)定提出建議。

舒適性；自動(dòng)空調(diào)；風(fēng)速；風(fēng)溫；太陽(yáng)輻射

引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車上的通風(fēng)與空調(diào)已經(jīng)成為必備設(shè)施。汽車空調(diào)的目的是為了在任何氣候和行駛條件下，能夠?yàn)槌藛T提供舒適的車內(nèi)環(huán)境[1]。汽車空調(diào)舒適性的影響因素眾多，試驗(yàn)成本很高，時(shí)間周期長(zhǎng)，人工投入巨大。現(xiàn)階段隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，可以很好的將CFD技術(shù)應(yīng)用到乘員艙舒適性中，可以對(duì)乘員艙氣流的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬[2-3]，從而指導(dǎo)車型的開發(fā)。

本論文通過簡(jiǎn)化某A級(jí)車整車模型，引入人體熱舒適性模型，研究出風(fēng)口風(fēng)速、出風(fēng)口溫度及不同太陽(yáng)輻射乘員艙的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，對(duì)人體的舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)和自動(dòng)空調(diào)的標(biāo)定具有很好的指導(dǎo)意義。

1 模型方案

1.1 物理模型建立

圖1 某A級(jí)車乘員艙全尺寸簡(jiǎn)化模型

采用某A級(jí)車乘員艙全尺寸模型，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在模型中提取車室內(nèi)表面，保留主要部件，忽略尖銳轉(zhuǎn)角以及臺(tái)階縫隙，確保溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的真實(shí)性[4]簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格模型

本文采用HyperMesh對(duì)模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入STAR-CCM+中生成體網(wǎng)格設(shè)定邊界條件進(jìn)行計(jì)算。整車是選用適用性更好的面網(wǎng)格，對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)、人體模型等重點(diǎn)位置進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化以及重點(diǎn)區(qū)域的檢測(cè)。

體網(wǎng)格選用多面體網(wǎng)格，多面體網(wǎng)格屬于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，適用于形狀復(fù)雜的幾何模型[4]，最終得到124萬體網(wǎng)格。

1.3 邊界條件設(shè)定

在仿真模擬計(jì)算的過程中必須盡可能的使壁面邊界條件符合實(shí)際的情況，這樣做才可以使得計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確。在仿真計(jì)算時(shí)需要將車室表面的傳熱情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，將車室表面合并成一個(gè)整體的面，簡(jiǎn)化后的車室表面?zhèn)鳠崮Ｐ团c車室表面的實(shí)際情況存在差異，但是和實(shí)際模型有基本相同的傳熱效果，可以得到比較理想的仿真計(jì)算結(jié)果[5]本文車體壁面平均傳熱系數(shù)等效為為1.1W/m2K，同時(shí)車體內(nèi)壁為無滑移邊界條件。

本模型的入口邊界設(shè)置為吹面風(fēng)道的入口處。對(duì)進(jìn)風(fēng)口的溫度和速度值做了簡(jiǎn)化和近似。調(diào)整最佳出風(fēng)口角度，然后分工況進(jìn)行空調(diào)最大降溫試驗(yàn)仿真，環(huán)境溫度為38°C，相對(duì)濕度設(shè)置為50%，太陽(yáng)輻射選取夏季三亞地區(qū)不同時(shí)間點(diǎn)的太陽(yáng)輻射，設(shè)置不同出風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)溫。出口邊界設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

1.4 湍流模型

乘員艙內(nèi)流場(chǎng)的模擬仿真過程中，選取應(yīng)用比較廣泛的Realizable k-ε模型，以達(dá)到最真實(shí)的模擬仿真計(jì)算結(jié)果。采用隱式求解器進(jìn)行非穩(wěn)定求解，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1s，最大迭代步數(shù)為20步[6]，總物理時(shí)間為1800s。

2 分析結(jié)果

2.1 出風(fēng)口風(fēng)速的影響

為研究出風(fēng)口風(fēng)速的影響，設(shè)定送風(fēng)溫度為10℃，太陽(yáng)高度角定為三亞地區(qū)中午12點(diǎn)太陽(yáng)高度角。出風(fēng)口風(fēng)速的變化設(shè)置了5個(gè)工況：6m/s、5m/s、4m/s、3m/s和2m/s。

圖2 不同出風(fēng)口風(fēng)速下乘員艙溫度特性

從計(jì)算結(jié)果圖2和圖3可知，五種工況，風(fēng)速越高，車室內(nèi)的平均溫度越低，因?yàn)槭谴得婺Ｊ?，腳部的氣流流動(dòng)較差，腳部的溫度受到送風(fēng)風(fēng)速的影響較小。當(dāng)出風(fēng)口風(fēng)速是3m/s時(shí)，即整車風(fēng)量在180m3/h，大約為鼓風(fēng)機(jī)的兩擋風(fēng)，待整個(gè)車室溫度穩(wěn)定后，頭膝足溫度相差最小，建議自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定時(shí)，車室內(nèi)溫度降低到理想溫度時(shí)，定義車室內(nèi)自動(dòng)空調(diào)的風(fēng)量為兩擋風(fēng)。

圖3 不同出風(fēng)口風(fēng)速下的乘員艙速度場(chǎng)

2.2 出風(fēng)口溫度的影響

為研究出風(fēng)口溫度的影響，設(shè)定出風(fēng)口風(fēng)速為5m/s，太陽(yáng)高度角定為三亞地區(qū)中午12點(diǎn)太陽(yáng)高度角。出風(fēng)口溫度的變化設(shè)置了5個(gè)工況：8℃、10℃、12℃、14℃和16℃。

圖4 不同出風(fēng)口溫度下乘員艙溫度特性

圖5 不同出風(fēng)口溫度下的乘員艙溫度場(chǎng)

從計(jì)算結(jié)果圖4和圖5可知，五種工況，出風(fēng)口溫度越低，車室內(nèi)的平均溫度越低，空調(diào)吹面模式，出風(fēng)口每降低2℃，車室內(nèi)平均溫度降低1℃左右，且頭部平均溫度的降低幅度＞膝部平均溫度＞腳部平均溫度。不同的出風(fēng)口溫度導(dǎo)致不同的車室平均溫度，建議自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定時(shí)，根據(jù)用戶設(shè)定的溫度值，調(diào)整出風(fēng)口的溫度，以達(dá)到用戶的需要。

2.3 太陽(yáng)輻射的影響

為研究太陽(yáng)輻射的影響，設(shè)定出風(fēng)口風(fēng)速為5m/s，出風(fēng)口溫度為10℃，太陽(yáng)輻射變化設(shè)置了3個(gè)工況：三亞地區(qū)中午10點(diǎn)太陽(yáng)輻射、三亞地區(qū)中午12點(diǎn)太陽(yáng)輻射和三亞地區(qū)中午14點(diǎn)太陽(yáng)輻射。

圖6 不同太陽(yáng)輻射下乘員艙溫度特性

圖7 不同太陽(yáng)輻射下的乘員艙溫度場(chǎng)

從計(jì)算結(jié)果圖6和圖7可知，三種工況，太陽(yáng)輻射越低，車室內(nèi)的平均溫度越低。乘客乘坐在乘員在不同位置，太陽(yáng)輻射經(jīng)過前風(fēng)擋玻璃影響前排乘客的舒適性比較明顯，導(dǎo)致前排乘客的頭部溫度大于后排乘客的頭部溫度。建議自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定時(shí)，根據(jù)陽(yáng)光傳感器檢測(cè)到的太陽(yáng)輻射值，相應(yīng)的增大出風(fēng)口的風(fēng)量，減小出風(fēng)口的溫度，以達(dá)到乘客舒適度的要求。

3 結(jié)論

通過對(duì)不同出風(fēng)風(fēng)速、出風(fēng)溫度和不同太陽(yáng)輻射對(duì)車室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）空調(diào)的出風(fēng)風(fēng)速影響車室內(nèi)舒適度，自動(dòng)空調(diào)的兩擋風(fēng)應(yīng)為車室穩(wěn)態(tài)之后的最佳風(fēng)量。

（2）空調(diào)的出風(fēng)口風(fēng)溫降低2℃，車室內(nèi)的平均溫度降低1℃左右。

（3）太陽(yáng)輻射對(duì)于前排乘客的舒適度影響比較明顯，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，前排乘客的頭部溫度大于后排乘客的頭部溫度。

[1] 閆雄才,陳江平.汽車空調(diào)實(shí)用技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003, 229-230.

[2] 文妙妙.車室內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的仿真模型和試驗(yàn)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2007,1-2.

[3] 倪冬香.基于人體熱調(diào)節(jié)模型的轎車乘員艙熱舒適性分析[D].上海:上海交通大學(xué),2010.

[4] 王靖宇,薛超坦,胡興軍等.基于空調(diào)送風(fēng)參數(shù)的車室內(nèi)流模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）,長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2016.

[5] 孟慶超.汽車車室內(nèi)流場(chǎng)與汽車空調(diào)品質(zhì)研究[D].湖南:湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文,長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2007,34-35.

[6] 李珊珊,李明,楊帆等.某機(jī)車駕駛室舒適性研究:高等學(xué)校工程熱物理第二十一屆全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議,2015.

Study on Influencing Factors of A Class Vehicle Passenger Cabin Comfort

Li Siwang, Feng Hongfei, Wang Ke

（GAC Automotive Research & Development Center, Guangdong Guangzhou 511434）

There are many factors influencing the comfort of vehicle air condition. CFD technology is used to study the factors influencing the vehicle passenger cabin comfort. This paper analyzes the influence of different air outlet wind speed, air temperature and solar radiation on passenger comfort, and puts forward some suggestions for the design of air conditioning system and the calibration of automatic air conditioning.

Comfort; Automatic air conditioning; Air outlet wind speed; Air temperature; Solar radiation

U463.85+1

A

1671-7988(2019)18-145-03

U463.85+1

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1671-7988(2019)18-145-03

李四旺（1988.9-），男，漢，本科，熱管理工程師，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，研究方向?yàn)檎嚐峁芾怼?/p>

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.048