壁面熱輻射對(duì)車(chē)內(nèi)溫度場(chǎng)影響的分析

李琳睿，孫曉霞，王一凡，康慧芳，沈俊

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081；2.中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072）

隨著經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)也蓬勃向前.汽車(chē)的大量使用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了有害影響.由于碳中和的迫切需要，在車(chē)輛設(shè)計(jì)中除了熱舒適性外還必須考慮能源效率[1].在高原地區(qū)，高海拔和稀薄的空氣導(dǎo)致強(qiáng)烈的局部太陽(yáng)輻射，而強(qiáng)烈太陽(yáng)輻射和車(chē)壁輻射引起的溫度不均對(duì)車(chē)內(nèi)空氣溫度和流場(chǎng)產(chǎn)生一定影響，還會(huì)影響汽車(chē)部件的使用壽命，增加汽車(chē)制冷系統(tǒng)的能源消耗，影響汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排效果.因此考慮熱輻射的車(chē)內(nèi)熱環(huán)境研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)科學(xué)的汽車(chē)熱管理、合理利用能源有著深遠(yuǎn)意義.

熱輻射是一種物體因具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象.輻射傳熱（radiant heat transfer ，RHT）對(duì)熱能工程中的整體傳熱有重大影響，在電子元件熱管理、航天航空和建筑暖通等領(lǐng)域都占據(jù)十分重要的位置.前人對(duì)熱輻射相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了諸多研究，比如RAJU等[2]研究了納米流體在熱輻射作用下通過(guò)矩形擠壓通道的強(qiáng)化傳熱問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)Ec 和Pr 對(duì)機(jī)油的傳熱有增強(qiáng)作用，并發(fā)現(xiàn)在S≠0 時(shí)熱輻射降低了流體的溫度.MEZHRAB 等[3]采用有限容積法對(duì)矩形封閉空間進(jìn)行了傳熱分析，結(jié)果顯示表面輻射使努塞爾數(shù)增大4 倍，并降低了固體表面溫度.訚耀保等[4]發(fā)現(xiàn)熱輻射對(duì)航空伺服作動(dòng)器的溫度影響很大，當(dāng)某機(jī)閘溫度升了高100 °C 時(shí)，左、右兩側(cè)缸筒溫度升高約40 °C.

熱輻射的基本理論在20 世紀(jì)被廣泛研究.HOWELL 等[5]的相關(guān)理論解釋了熱輻射的相關(guān)性質(zhì)并推導(dǎo)出RHT 方程.在研究中最常用的熱輻射方法如下：蒙特卡羅法（MCM），球面近似法（PN）和離散坐標(biāo)法（DOM）.在PN 方法中，輻射函數(shù)被擴(kuò)展為一系列球面諧波函數(shù)，RHT 方程通過(guò)正交性轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單方程.這種方法計(jì)算成本略低，但在某些情況下可能會(huì)高估RHT 并失去準(zhǔn)確性[6].MCM 法計(jì)算負(fù)載小，可以精確處理光譜特性、非均勻介質(zhì)和各向異性色散[7]，但模型的非確定性會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題.在DOM方法中，方程沿著有限數(shù)量的方向離散化并給出非常精確的結(jié)果，但其準(zhǔn)確性在很大程度上取決于正交方案，對(duì)計(jì)算的要求很高[8].此外，MISHRA 等[9]也將格玻爾茲曼法應(yīng)用于輻射傳熱問(wèn)題.

關(guān)于車(chē)內(nèi)熱環(huán)境的相關(guān)問(wèn)題，前人進(jìn)行了許多研究.LEE 等[10]研究了光譜效應(yīng)對(duì)汽車(chē)溫度和流場(chǎng)的影響.研究結(jié)果表明，前排座椅附近的氣流發(fā)生強(qiáng)烈偏轉(zhuǎn)，當(dāng)考慮光譜效應(yīng)時(shí)，透射率和反射率的光譜變化使艙內(nèi)溫度升高約3K.BEHI 等[11]提出了一種混合熱管理概念，比較了自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)，結(jié)果顯示用于強(qiáng)制風(fēng)冷、熱管和HPC 的電池模塊的溫度均勻性分別提高了39.2%、66.5%和73.4%.何巖松等[12]模擬了瞬態(tài)環(huán)境中人體表面溫度分布，研究了機(jī)艙內(nèi)熱環(huán)境對(duì)乘員熱舒適度的影響.結(jié)果表明，人體散熱的艙內(nèi)溫度變化最小，得出人體溫度對(duì)被占用艙溫度場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì).

針對(duì)以往的研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)于汽車(chē)內(nèi)部熱環(huán)境的研究為了簡(jiǎn)化模型和減少計(jì)算量, 大多忽略了固體壁面間的輻射，然而在高原地區(qū)海拔高、空氣稀薄、太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，太陽(yáng)的直射，散射和反射熱負(fù)荷都會(huì)帶來(lái)溫度影響[13]，在此進(jìn)行研究若將壁面間輻射忽略可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差.因此，文中以某品牌汽車(chē)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法建立汽車(chē)空氣流動(dòng)和傳熱的模型，分析了處于高原環(huán)境的夏季工況的車(chē)室熱環(huán)境情況，考慮了熱對(duì)流，熱傳導(dǎo)和太陽(yáng)輻射的影響，應(yīng)用整體求解法計(jì)算共軛傳熱問(wèn)題，從瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種情況分析了壁面熱輻射對(duì)車(chē)室內(nèi)溫度場(chǎng)的影響并與忽略壁面熱輻射的情況和低海拔平原情況進(jìn)行了對(duì)比.

1 模型建立

1.1 物理模型

文中運(yùn)用SOLIDWORKS 軟件對(duì)某汽車(chē)進(jìn)行1∶1建模[14]，分析對(duì)象為車(chē)室內(nèi)前圍板到后圍板這一部分[15].因車(chē)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過(guò)分追求模型精細(xì)化會(huì)給后續(xù)計(jì)算增大難度，甚至導(dǎo)致網(wǎng)格變形和計(jì)算發(fā)散，因此對(duì)于一些尺寸較小或?qū)α鲌?chǎng)影響不大的部件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，艙內(nèi)凹凸面皆做平面化處理，建立如圖1所示的物理模型.此模型長(zhǎng)2.2 m、寬1.36 m、高1.3 m，有3 個(gè)送風(fēng)口（0.07 m×0.1 m）兩個(gè)回風(fēng)口(0.12 m×0.1 m).

圖1 車(chē)輛物理模型Fig.1 Physical model of a vehicle

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，對(duì)模型做出假設(shè)：①不考慮汽車(chē)漏風(fēng)帶來(lái)的影響，認(rèn)為車(chē)室密封性好；②車(chē)內(nèi)外空氣是低速流動(dòng)，最大流速不超過(guò)10 m/s，此時(shí)音速為340 m/s，馬赫數(shù)小于0.3，故可認(rèn)為車(chē)室內(nèi)空氣為不可壓縮流體 ，忽略黏性力做功引起的耗散熱 ；③由于車(chē)室結(jié)構(gòu)復(fù)雜使流動(dòng)分離，流線彎曲程度較大，因此應(yīng)按湍流處理，采用RNG 模型，近壁面處用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理；④車(chē)室內(nèi)空氣看作輻射透明介質(zhì).

根據(jù)上述假設(shè)，車(chē)內(nèi)空氣流動(dòng)和傳熱的連續(xù)性方程、動(dòng)量 、k-ε方程及能量方程的通用形式表示為

式中：Γφ和Sφ分別為廣義擴(kuò)散相系數(shù)和廣義源項(xiàng)；φ為通用物理變量.

FLUENT 軟件中輻射模型有5 種，因DO 模型最為綜合，考慮了散射、半透明介質(zhì)以及跟波長(zhǎng)有關(guān)的非灰體模型，因此選用DO 模型，表達(dá)式為

2 邊界條件

計(jì)算工況地點(diǎn)設(shè)置為6 月21 日13:00 的西藏拉薩，東經(jīng)91.1°，北緯29.66°.車(chē)頭朝東，車(chē)尾朝西，天空晴朗無(wú)云.當(dāng)?shù)貧鈮簽?.065 2 MPa，海拔為3 658 m.拉薩地區(qū)地處青藏高原，空氣稀薄，對(duì)太陽(yáng)輻射削弱小，一年中之中晴天居多，夏至在北半球輻照時(shí)間最長(zhǎng).根據(jù)國(guó)家氣象局和FLUENT 中自帶的太陽(yáng)輻射計(jì)算器，并參考其他相關(guān)文獻(xiàn)[16]，得到6 月21 日此時(shí)拉薩地區(qū)太陽(yáng)輻射正午定量測(cè)試數(shù)據(jù).如圖2 所示.可以看到，從13:00-13:30 半個(gè)小時(shí)內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化較小，太陽(yáng)的直接輻射強(qiáng)度僅從881 W/m2上升至884.2 W/m2，并且汽車(chē)的材料對(duì)太陽(yáng)輻射還有一定的反射作用，則此時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的微小變化對(duì)整體換熱情況影響可忽略不計(jì).

圖2 拉薩地區(qū)夏至正午太陽(yáng)輻射變化曲線Fig.2 Solar radiation change at midsummer noon in Lhasa

車(chē)室所在流體域的進(jìn)口設(shè)置為速度入口，速度大小為1 m/s，溫度為293 K；出口為壓力出口，入口與出口的內(nèi)部輻射系數(shù)為1.0.車(chē)廂壁面按照無(wú)滑移壁面處理，車(chē)身及發(fā)動(dòng)機(jī)罩設(shè)置為不透明壁面，前后擋風(fēng)玻璃設(shè)置為半透明壁面.夏季高溫，發(fā)動(dòng)機(jī)罩壁面的溫度不可忽視，將其設(shè)置為恒溫?zé)徇吔鐥l件，溫度為355 K，其余壁面設(shè)置為耦合壁面；車(chē)輛各部件的物性和光學(xué)特性如表1 所示[15,17]；所有壁面的內(nèi)部輻射系數(shù)為0.8；車(chē)體等不透明體的透射率為0，玻璃等半透明體的透射率為0.8.由于離散坐標(biāo)熱輻射模型（DO）能處理半透明材料和非灰體輻射，適用于所有光學(xué)厚度的場(chǎng)合，故選用離散坐標(biāo)熱輻射模型[18].

表1 車(chē)體主要部件物性參數(shù)及光學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical parameters and optical parameters of main parts of a vehicle

計(jì)算太陽(yáng)輻射采用射線追蹤法，計(jì)算得太陽(yáng)入射光線矢量為(0.227, 0.969, 0.094)，車(chē)外的太陽(yáng)輻射直射強(qiáng)度為880.61 W/m2，豎直平面散射為79.80 W/m2，水平平面散射為118.00 W/m2，地面反射為97.16 W/m2.該算法將太陽(yáng)輻射處理成射線，其中包含太陽(yáng)方位向量和相關(guān)的輻照參變量，射線落到所指定的邊界上，通過(guò)面與面之間的遮蔽分析來(lái)確定邊界面和內(nèi)部壁面被遮擋的部分，然后計(jì)算入射太陽(yáng)輻射在邊界上產(chǎn)生的熱流，并將產(chǎn)生的熱流通過(guò)能量方程中的源項(xiàng)耦合到數(shù)值計(jì)算中[18].

RNGk-ε模型修正了湍動(dòng)黏度，能模擬計(jì)算分離流、二次流、射流、旋轉(zhuǎn)流等中等復(fù)雜流動(dòng)，該模型能夠應(yīng)用于曲率和壓力梯度較大的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，文中汽車(chē)車(chē)室的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,包含多種復(fù)雜流動(dòng)，因此選擇修正了湍流黏度，精度更高，可以有效描述車(chē)室內(nèi)物理特性的RNGk-ε模型.考慮浮力作用，浮力效應(yīng)選Full，采用SIMPLE 算法，壓力項(xiàng)采用二階離散格式，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式，松弛因子保持默認(rèn)，重力加速度取9.81 m/s2.當(dāng)能量方程殘差小于10-6，其他方程殘差小于10-3時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂.

3 模型驗(yàn)證

3.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，現(xiàn)選取5 套數(shù)量不同的網(wǎng)格代入進(jìn)行驗(yàn)證，在保證網(wǎng)格正交質(zhì)量的最小值大于0.13 的條件下生成1 401 397、1 667 426、1 803 735、2 030 248、22 470 145 套網(wǎng)格.觀察不同數(shù)量的網(wǎng)格在線(x=0.7，y=0.75，z=0～1.35)上的溫度分布情況.從圖3 可以看出，5 種網(wǎng)格溫度差距不大，不同網(wǎng)格間最大溫差為2.17 K，并且140萬(wàn)，166 萬(wàn)的網(wǎng)格與其他有明顯差距，而剩下的3 套網(wǎng)格差距微小，其中180 萬(wàn)和203 萬(wàn)的網(wǎng)格基本一致，224 萬(wàn)的網(wǎng)格有細(xì)微差別但誤差仍在5%以?xún)?nèi).這說(shuō)明當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在180～224 萬(wàn)時(shí)，數(shù)值模型受網(wǎng)格數(shù)量影響較小，因此為了方便計(jì)算選擇數(shù)量為1 803 735的網(wǎng)格.

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 Grid size independence analysis

3.2 DO 模型驗(yàn)證

在本次數(shù)值模擬過(guò)程中選取了DO 模型進(jìn)行仿真分析.為了驗(yàn)證此模型的有效性，從文獻(xiàn)中選取了3 次域的測(cè)試問(wèn)題來(lái)對(duì)DO 模型進(jìn)行驗(yàn)證.測(cè)試是在SAKAMI 等[19]在密閉熔爐外殼內(nèi)進(jìn)行的，使用了基于指數(shù)空間離散化的新算法.熔爐的幾何形狀為平行六面體，其中Lx=Ly=2 m，Lz=4 m，物理模型如圖4所示.爐內(nèi)的氣體具有q=5 k W/m3體積熱源，吸收系數(shù)κ=0.5 /m.其具體邊界條件如下：在z=0 處，T=1 200 K ，ε=0.85；在z=Lz處，T=400 K ,ε=0.70；在其他表面，T=900 K，ε=0.70.

圖4 熔爐物理模型Fig.4 Physical model of the furnace enclosure.

當(dāng)y=1 m 時(shí)不同z位置處的氣體溫度分布如圖5所示，將其與SAKAMI[19]、LARI[20]工作方法和區(qū)域方法獲得的結(jié)果進(jìn)行了比較.可以看出，DO 模型的測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)中的其他結(jié)果很好地吻合.因此選用DO 模型進(jìn)行仿真模擬是可靠有效的.

圖5 y=1 m 處不同z 值下空氣的溫度分布Fig.5 Temperature distribution of difeerent z medium at y=1 m

4 結(jié)果與分析

4.1 穩(wěn)態(tài)情況

本節(jié)對(duì)是否考慮壁面輻射的車(chē)內(nèi)溫度情況進(jìn)行研究, 如圖6 所示.圖6(a)中車(chē)室內(nèi)大部分區(qū)域處于303～311 K 之間，車(chē)內(nèi)整體空氣平均溫度為308.9 K，而圖6(b)大部分氣溫是處于308～315 K 之間，車(chē)內(nèi)整體空氣平均溫度為317.83 K 的車(chē)內(nèi)空氣平均溫度比圖6(b)的低8.93 K.兩者進(jìn)風(fēng)口處溫度都在294 K，此區(qū)域處于強(qiáng)制對(duì)流區(qū)，因此忽略輻射換熱的影響不會(huì)產(chǎn)生較大影響.但圖6(a)中最高溫在發(fā)動(dòng)機(jī)罩和車(chē)頂處有346.8 K，圖6(b)最高溫出現(xiàn)在車(chē)頂，此時(shí)處于中午太陽(yáng)輻射達(dá)到最大值并且直射到車(chē)頂，車(chē)頂溫度最高可達(dá)411 K.

圖6 z=0.68 m 車(chē)內(nèi)溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution inside vehicle at z=0.68 m

此外可以看到兩張圖中后排溫度低，這是因?yàn)楫?dāng)空氣進(jìn)入車(chē)室內(nèi)后會(huì)從前排座椅旁的空間流過(guò)并被后排座椅阻擋，此部分產(chǎn)生大量的二次流，而這二次流在后排座椅處經(jīng)過(guò)能量交換會(huì)再流動(dòng)至前座，即造成了后座比前座溫度低的現(xiàn)象,其中考慮壁面輻射時(shí)汽車(chē)的前后座溫度相差7 K 左右，而不考慮壁面輻射的前座比后座平均溫度高出12 K；并且從整體來(lái)看，考慮壁面輻射情況的前后座溫度明顯低于不考慮壁面輻射.

車(chē)體固件溫度分布如圖7 和圖8 所示.從圖7 看到考慮壁面輻射影響時(shí)的座椅溫度較低，維持在311～319 K，而不考慮壁面輻射換熱的座椅溫度在331～349 K.座椅溫度都是從上到下依次減小，這是由于座椅上部受到車(chē)頂高溫的影響，加之座椅的材質(zhì)為皮革，比熱容較大，因此造成了上部高溫的情況.圖8 為車(chē)身的表面溫度，兩種情況下最高溫都在車(chē)頂，但車(chē)頂溫度相差65 K.并且圖8(a)中車(chē)身側(cè)面的溫度明顯降低，車(chē)身相差17 K.而從整體來(lái)看，考慮壁面間輻射的情況溫度更低，這說(shuō)明壁面輻射有散熱影響.

圖7 前排座椅表面溫度分布云圖Fig.7 Surface temperature distribution of front seats

圖8 車(chē)身表面溫度分布云圖Fig.8 Surface temperature distribution of vehicle body

汽車(chē)所受的壁面熱流密度如表2 所示，車(chē)體部件受太陽(yáng)照射后升溫，說(shuō)明車(chē)輛主要熱量來(lái)源為太陽(yáng)輻射和發(fā)動(dòng)機(jī)罩的熱傳導(dǎo)，對(duì)于車(chē)身來(lái)說(shuō)，輻射換熱熱流占車(chē)身總換熱熱流的41.16%，車(chē)身主要通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流散熱.車(chē)頂雖然溫度高，但車(chē)身面積大，此處的空氣流速度大，相應(yīng)的對(duì)流換熱強(qiáng)度就大；前玻璃總體傳熱中的輻射傳熱的占比為23.59%；后玻璃總體傳熱量中的輻射傳熱的占比為35.94%，因此前后玻璃也是以對(duì)流換熱為主；發(fā)動(dòng)機(jī)罩的輻射占比為29.91%，椅子的占比為61.96%.雖然這些部件的輻射換熱多數(shù)未在各自的整體換熱中占據(jù)主導(dǎo)地位，但對(duì)總體換熱仍然有著較大的影響.

表2 面平均熱流密度Tab.2 Average surface heat flow density

4.2 瞬態(tài)情況

考慮到真實(shí)環(huán)境屬于動(dòng)態(tài)變化的，因此進(jìn)行了瞬態(tài)分析.無(wú)壁面輻射影響時(shí)汽車(chē)在30 min 時(shí)的溫度變化如圖9 所示，座椅腿部因有發(fā)動(dòng)機(jī)罩的影響并且此處遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口，因此底部先升溫.整體表面溫度變化較為明顯，車(chē)頂變化最劇烈30 min 內(nèi)溫度上升到344 K.而此時(shí)由于太陽(yáng)照射的影響，車(chē)內(nèi)熱空氣隨浮力作用上升，碰壁后產(chǎn)生渦旋，使車(chē)內(nèi)空氣從上到下溫度分層更加明顯，可以看到靠近車(chē)頂、前玻璃及發(fā)動(dòng)機(jī)罩處的溫度更高，車(chē)廂前部及靠近壁面處溫度比后部高5～8 K，車(chē)內(nèi)平均溫度也從297 K上升到311 K.

圖9 車(chē)輛30 min 內(nèi)的溫度變化（不考慮壁面間輻射）Fig.9 Temperature change of vehicle within 30 minutes (regardless of inter-wall radiation).

圖10 是考慮壁面輻射時(shí)30 min 汽車(chē)的溫度變化情況.可以看出由于壁面輻射的影響，溫升小于之前無(wú)壁面輻射影響的情況，此時(shí)車(chē)頂溫度僅從300 K 升到334 K 左右.車(chē)內(nèi)溫度雖然也是靠近發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前擋風(fēng)玻璃和車(chē)頂?shù)纳愿?，但總體平均溫度較低僅有303 K.并且可以看到前排座椅附近溫度較低，形成了比周?chē)諝鉁囟鹊偷睦淇諝舛逊e，其主要原因是由于前排送風(fēng)的氣流有一部分被前排座椅抵擋，而另一部分通過(guò)座椅和車(chē)身內(nèi)壁面的間隙進(jìn)入后排區(qū)域與后排靠椅碰撞形成渦旋，加速了與周?chē)諝獾膿Q熱.

將圖10 的變化整理成溫度曲線圖如圖11 所示，可以看出車(chē)體固件在照射30 min 后平均溫度能達(dá)到321 K，座椅因?yàn)楸葻崛荽?，溫升緩慢又因?yàn)橛羞M(jìn)風(fēng)口冷空氣的影響，最高只有298.4 K，車(chē)內(nèi)空氣平均溫度在前十分鐘內(nèi)變化劇烈，之后升溫漸漸放緩，處于緩慢上升的趨勢(shì)，在30 min 時(shí)達(dá)到303 K.

圖11 車(chē)輛 30 分鐘內(nèi)的溫度變化（考慮壁面間輻射）Fig.11 Graph of vehicle temperature change over 30 minutes (inter-wall radiation)

圖12 為30 min 內(nèi)汽車(chē)部件上的總傳熱速率和輻射傳熱速率變化曲線圖，圖12(a)中車(chē)輛受太陽(yáng)照射溫度升高，車(chē)身、座椅和前后玻璃的總傳熱速率為正值，說(shuō)明處于吸熱狀態(tài).發(fā)動(dòng)機(jī)罩的傳熱速率雖為正值，但數(shù)值上先減小后又小幅度增加.這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)罩的初始溫度很高，隨著對(duì)流換熱及輻射的散熱作用而溫度降低，而隨著太陽(yáng)輻射作用對(duì)汽車(chē)持續(xù)加熱，發(fā)動(dòng)機(jī)罩又開(kāi)始逐漸升溫.

圖12 車(chē)輛30 min 內(nèi)傳熱速率（考慮壁面間輻射）Fig.12 Heat transfer rate of the vehicle within 30 minutes (taking into account inter-wall radiation)

圖12(b)顯示了輻射傳熱速率的變化情況.觀察輻射傳熱速率的變化可以發(fā)現(xiàn)，輻射傳熱速率與總傳熱速率大致在一個(gè)數(shù)量級(jí).并且玻璃和車(chē)體部件的輻射傳熱速率都是逐漸增大的，對(duì)于車(chē)身來(lái)說(shuō)，在前15 min 輻射傳熱主要起散熱作用，在15 min 后主要起吸熱作用，但對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩來(lái)說(shuō)，輻射傳熱速率一直為負(fù)，輻射起到散熱作用.所以在換熱過(guò)程中壁面輻射換熱雖然占比不大，但有一定作用，需要在計(jì)算中考慮.

4.3 平原情況

為了進(jìn)一步研究熱輻射對(duì)高原地區(qū)汽車(chē)內(nèi)熱環(huán)境的重要性，選取平原情況與高原情況進(jìn)行對(duì)比.計(jì)算工況地點(diǎn)設(shè)置為6 月21 日13:00 的河南鄭州，東經(jīng)113.42°，北緯34.44°.當(dāng)?shù)貧鈮涸O(shè)置為101 325 Pa，海拔為104 m，大氣密度設(shè)置為1.293 kg/m3，其他邊界條件設(shè)置保持不變.

圖13 顯示了車(chē)內(nèi)外的溫度分布圖，圖13(a)是平原條件下的溫度分布圖，圖13(b)顯示的是高原加壓（操作壓力改為78 426 Pa[21], 根據(jù)大氣密度、氣壓與海拔的關(guān)系，此時(shí)空氣密度為1.051 kg/m3）情況下車(chē)內(nèi)外的溫度分布.將其與圖7(a)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，平原地區(qū)和高原加壓地區(qū)的溫度相似，都集中在302～308 K 之間；而高原地區(qū)的溫度303～311K 之間.觀察進(jìn)風(fēng)口處的冷流溫度可以發(fā)現(xiàn)隨著大氣壓力、大氣密度的降低，高原地區(qū)冷流送風(fēng)距離較近，能量衰減較快，而平原區(qū)衰減最慢，高原增壓的冷流送風(fēng)情況位于兩者之間.

圖13 車(chē)內(nèi)外的溫度分布圖Fig.13 Temperature distribution inside and outside the vehicle

平原地區(qū)汽車(chē)所受的壁面熱流密度如表3 所示，對(duì)于車(chē)身來(lái)說(shuō)，輻射熱流占總換熱熱流的39.5%，前玻璃的輻射換熱占總體的22.8%.后玻璃占38.0%，發(fā)動(dòng)機(jī)罩的34.2%，椅子58.4%.可以看出這些輻射換熱對(duì)總體換熱有著較大的影響，但所占比例多數(shù)都低于高原工況.可以得出輻射換熱在平原和高原情況下都是一種重要的換熱形式，在高原地區(qū)的影響更為重要.

表3 平原地區(qū)面平均熱流密度Tab.3 Average heat flux density in plain area

5 結(jié) 論

文中針對(duì)高原地區(qū)夏季條件下的車(chē)內(nèi)熱輻射問(wèn)題，建立了汽車(chē)空氣流動(dòng)和傳熱模型.應(yīng)用數(shù)值模擬的方法計(jì)算共軛傳熱問(wèn)題，考慮了熱對(duì)流，熱傳導(dǎo)和太陽(yáng)輻射的影響.從穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩個(gè)角度模擬得到車(chē)內(nèi)熱環(huán)境情況，著重討論了車(chē)內(nèi)熱輻射對(duì)整車(chē)溫度場(chǎng)的影響，得到如下結(jié)論：

①當(dāng)流場(chǎng)分布不均勻, 許多區(qū)域氣流流速很低,對(duì)流換熱強(qiáng)度低時(shí)，固體壁面的輻射換熱成為一種重要換熱形式，為此需要考慮輻射換熱.

②輻射傳熱影響整體傳熱.表面輻射傳熱與物體的表面發(fā)射率、面積和表面溫度有關(guān).在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中考慮座椅材料時(shí)，車(chē)身、前擋風(fēng)玻璃、后擋風(fēng)玻璃、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和座椅等各部件的各自總傳熱中的輻射傳熱的占比分別為41.16%、23.59%、35.94%、29.91%和61.96%.

③由于輻射散熱的作用，考慮壁面輻射時(shí)的平均溫度較低.有壁面輻射的車(chē)身表面溫度比不考慮輻射的情況低17K；對(duì)于車(chē)室內(nèi)整體空氣的平均溫度來(lái)說(shuō)，有壁面輻射的低8.93K.

④與平原地區(qū)相比，高原地區(qū)空氣稀薄，空氣導(dǎo)熱和對(duì)流換熱降低，而輻射換熱的影響進(jìn)一步增加，由此可得在進(jìn)行相關(guān)汽車(chē)內(nèi)熱環(huán)境研究時(shí)，為研究結(jié)果更加準(zhǔn)確、符合實(shí)際，需要考慮壁面輻射的影響.