汽車座椅通風(fēng)數(shù)值模擬與熱舒適性研究

關(guān)鍵詞：座椅通風(fēng)；汽車；舒適度；風(fēng)機(jī)

隨著汽車的普及，駕駛員與乘客對(duì)汽車的要求不再局限于汽車性能方面，對(duì)汽車乘客艙熱舒適性的要求也越來越高［1］。舒適的熱環(huán)境可緩解疲勞，改善煩躁的情緒，提高工作效率和駕駛安全性。然而，汽車乘客艙是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，其內(nèi)部熱濕環(huán)境更為獨(dú)特。在自然暴露過程中，熱傳導(dǎo)、對(duì)流、太陽(yáng)輻射極大地改變了汽車乘客艙的熱舒適性，人進(jìn)入車內(nèi)會(huì)受到瞬時(shí)熱沖擊［2］。特別是夏季，汽車乘客艙的環(huán)境讓人非常不舒服。因此，如何使汽車乘客艙的溫度和濕度在停車和行駛條件下均符合人體熱舒適的要求很重要［3］。研究發(fā)現(xiàn)，從汽車座椅和內(nèi)飾設(shè)計(jì)上改善舒適度時(shí)，針對(duì)身體敏感度較高的部位（肩膀、背部、臀部）要選擇高耐熱性的涂層材料，以減少織物與皮膚之間的熱交換。在座椅加熱系統(tǒng)和暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段應(yīng)遵循類似的目標(biāo)［4］。一般來說，座椅會(huì)阻礙熱量和水分從人體背部傳遞到環(huán)境中，從而給坐著的人帶來熱不適。坐著的人的軀干暴露在對(duì)流氣流中，而人的骨盆和背部則被座位結(jié)構(gòu)材料包圍著［5］。具有通風(fēng)功能的汽車座椅為解決接觸面的初溫問題提供了較好的選擇。汽車座椅通風(fēng)的原理是在座椅坐墊下方安裝離心風(fēng)機(jī)，利用風(fēng)機(jī)將空氣吹入通風(fēng)層，然后氣流通過通風(fēng)層從座椅表面的通風(fēng)孔向上滲透，從而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)功能。圖1為座椅通風(fēng)示意圖。座椅的通風(fēng)功能有效地改善了人體和座椅接觸面的空氣自然流通環(huán)境，可在天氣炎熱情況下迅速散去汗液，即便長(zhǎng)時(shí)間乘坐，人體臀部和背部與座椅之間的接觸面仍保持干燥和舒適［6］。此外，座椅通風(fēng)結(jié)構(gòu)還可通過通風(fēng)循環(huán)的方式使內(nèi)部空氣得以循環(huán)和凈化，從而減少有害氣體的滯留和積累，預(yù)防肺結(jié)核、麻疹、普通感冒、流感等疾?。?］。

本文通過建立座椅物理模型，設(shè)計(jì)了一種通風(fēng)流道布置形式，并對(duì)該通風(fēng)座椅物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與模擬計(jì)算，得到3種流量工況下壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)了冷空氣在座椅通風(fēng)流道內(nèi)的流動(dòng)，并對(duì)座椅通風(fēng)流道流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了多孔座板出氣孔表面的速度和壓力分布，借此分析夏季通風(fēng)座椅與人體舒適性的關(guān)系。

1汽車通風(fēng)座椅物理模型

近年來，汽車座椅通風(fēng)技術(shù)愈發(fā)成熟，并在越來越多的車型上應(yīng)用。本文構(gòu)建了一款下吹式通風(fēng)座椅，建立了該汽車通風(fēng)座椅物理模型，其外形如圖2所示。在座椅底部設(shè)有通風(fēng)管道，座板下方設(shè)有腔室，通過在汽車座椅下安裝的離心式車載冷卻風(fēng)扇使空氣氣流從設(shè)置有端口的座椅表面吹出。夏天車內(nèi)初始溫度較高時(shí)，通過開啟風(fēng)扇可有效、快速降低座椅表面溫度，并在汽車行駛過程中可加強(qiáng)座椅周圍空氣流動(dòng)，以滿足駕駛員和乘客的熱舒適性需求。

圖3為汽車通風(fēng)座椅通風(fēng)孔分布。首先，考慮到人體與座椅的接觸面較大，因此在設(shè)計(jì)流道分布形式時(shí)通風(fēng)孔可覆蓋大部分人體與座椅的接觸面。其次，人坐在座椅上時(shí)不會(huì)全部遮擋通風(fēng)孔，通風(fēng)孔中氣流流出后可與人體進(jìn)行對(duì)流換熱，以提高人體舒適度。通風(fēng)孔從座椅中心向外布置，孔徑逐漸變大［8］。

計(jì)算域物理模型如圖4所示。座椅下方通風(fēng)管道截面尺寸為40mm×40mm，高度為120mm，腔室高度為60mm，座椅表面與腔室之間的輻射狀開孔的最小孔徑為6mm，最大孔徑為8.8mm，高度為50mm。

2汽車通風(fēng)座椅數(shù)學(xué)模型

2.1質(zhì)量守恒方程

在流體力學(xué)中，質(zhì)量守恒為偏微分方程，反映了流道中兩個(gè)斷面之間空間的質(zhì)量平衡。

對(duì)于三維不定常流，用x、y、z表示空間直角坐標(biāo)，用u、v、w表示質(zhì)點(diǎn)在x、y、z方向上的速度分量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中：ρ為流體的密度；t為時(shí)間。

2.2動(dòng)量守恒方程

描述不可壓縮黏性流體動(dòng)量守恒的方程一般稱為納維?斯托克方程，它是不可壓縮黏性流體最普遍的運(yùn)動(dòng)微分方程。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：u為流體的速度；Fx、Fy、Fz為作用在流體上的外力，如果作用在流體上的外力只有重力，由于重力方向垂直向上，則Fx和Fy為0，F(xiàn)z=?ρg，g為重力加速度；U為總速度；黏性應(yīng)力τab，a、b分別為x、y、z，其命名規(guī)則為a為力的作用面的法向方向，b為力的作用方向，例如τyx表示力作用于與y軸垂直的表面，力的方向?yàn)閤軸方向。

2.3湍流模型選擇

由于流體存在黏滯性，流體具有層流和湍流兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)雷諾數(shù)Re可判斷流體流動(dòng)狀態(tài)。在管流中，雷諾數(shù)小于2300即為層流；而雷諾數(shù)大于4000時(shí)，流體流動(dòng)不穩(wěn)定，容易形成紊亂不規(guī)則的狀態(tài)，即為湍流。雷諾數(shù)表達(dá)式為

式中：v為流體平均流速；d為管道直徑；μ為流體動(dòng)力黏度。

本文研究的汽車座椅通風(fēng)流道流體為空氣，氣體流動(dòng)穩(wěn)定，并且為完全發(fā)展的湍流流動(dòng)。流道內(nèi)入口速度較低，因此內(nèi)部空氣可視為不可壓縮氣體，可忽略其黏性。為了更好地模擬圓孔射流問題，在ANSYSFLUENT軟件中選擇標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型是最常用的兩方程湍流模型，其湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε所對(duì)應(yīng)的湍流輸送方程分別為

2.4網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

送風(fēng)口工況參數(shù)如表1所示。座椅下方通氣孔作為入口，入口條件為質(zhì)量流量進(jìn)口，座椅表面端口作為出口，出口設(shè)置為壓力出口，背壓為0。通風(fēng)流道表面設(shè)置為無滑移壁面。

整個(gè)計(jì)算域采用六面體網(wǎng)格生成，計(jì)算域總體網(wǎng)格數(shù)量約為220萬(wàn)，如圖5所示。在圖5的基礎(chǔ)上擴(kuò)大及縮小網(wǎng)格尺寸，分別獲得190萬(wàn)、205萬(wàn)、234萬(wàn)，240萬(wàn)的網(wǎng)格劃分，并在表1工況1下進(jìn)行數(shù)值模擬，得到出口平均風(fēng)速與網(wǎng)格數(shù)量關(guān)系如圖6所示，5種網(wǎng)格劃分下座椅出口平均風(fēng)速相差在5％以內(nèi)。這表明網(wǎng)格數(shù)量為310萬(wàn)可滿足網(wǎng)格無關(guān)性的要求，因此后續(xù)計(jì)算將在圖5所示的網(wǎng)格尺度下進(jìn)行。

空氣在座椅通風(fēng)流道內(nèi)的流動(dòng)為較為復(fù)雜的湍流過程。本文采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型，選用SIMPLE算法進(jìn)行計(jì)算，離散化方法使用有限體積法，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)離散格式，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。求解器設(shè)置如表2所示。

3熱舒適性與計(jì)算結(jié)果分析

3.1人體熱舒適性分析

Mathieu等基于伯克利模型研究了在座椅上安裝微氣候調(diào)節(jié)模塊（MCM）和未安裝MCM時(shí)乘客艙環(huán)境，分析了乘客的座位位置（過道、中心或窗口）和他們的生理?xiàng)l件對(duì)熱舒適的影響。依托COCOON項(xiàng)目開發(fā)的MCM展示了其在不同乘客艙環(huán)境條件、座位位置和身體生理?xiàng)l件下改善乘客熱舒適性的能力。MCM可根據(jù)乘客的喜好將冷、熱空氣導(dǎo)入座椅，從而提高乘客的熱舒適度，并為乘客提供更多的個(gè)人熱區(qū)域控制［9］。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)人體工程學(xué)研究所在氣候室內(nèi)進(jìn)行了通風(fēng)座椅人體舒適度實(shí)驗(yàn)，冬季和夏季模式的環(huán)境溫度分別為?20°C和40°C。在不同氣候情景下進(jìn)行研究，以獲得乘客艙內(nèi)不同溫度、輻射和對(duì)流條件對(duì)客觀熱感知的影響。實(shí)驗(yàn)表明，夏季座椅出口的設(shè)置導(dǎo)致溫差，并在座椅上部區(qū)域形成空氣幕?？諝鈴纳系较铝鲃?dòng)，為人體帶來一種“溫暖而舒適”的熱感覺［10］。

Alexander等提出等效接觸溫度（ECT）模型，并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)座椅通風(fēng)對(duì)于通過接觸面將水分輸送到環(huán)境來確保達(dá)到特定濕度是必要的。

汗液的蒸發(fā)和通過座椅通風(fēng)排出會(huì)導(dǎo)致溫度下降并降低ECT。參加實(shí)驗(yàn)的受試者坐在通風(fēng)座椅25min后給出的問卷調(diào)查的答案大多數(shù)介于“中性”和“溫暖但舒適”之間［12］。

綜合上述實(shí)驗(yàn)可以看出，夏季通風(fēng)座椅的存在會(huì)使得人舒適性加強(qiáng)，且隨著風(fēng)速的增加，人體汗液蒸發(fā)速度加快，人體溫度會(huì)較快地達(dá)到較為舒適的溫度。而在冬季通風(fēng)座椅可能反而讓人的舒適性降低。

3.2速度場(chǎng)分析

入口質(zhì)量流量分別為2.4、6.2和9.6g·s?1時(shí)，流線圖如圖7（a）、7（b）和7（c）所示。離心風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣通過座椅下方通風(fēng)流道入口吹入座椅腔室，并與腔室的上表面發(fā)生碰撞后朝四周擴(kuò)散，產(chǎn)生湍流旋渦，然后氣流從連接腔室的若干出風(fēng)端口吹出。

座椅通風(fēng)流道出口速度分布如圖8所示。當(dāng)入口質(zhì)量流量分別為2.4、6.2和9.6g·s?1時(shí)，座椅表面平均風(fēng)速分別為0.717、1.825和2.442m·s?1。

表3為不同質(zhì)量流量時(shí)出口平均速度及最大、最小速度。可以看出，流道出口中心處未打孔，使得進(jìn)入空腔的氣流流動(dòng)方式改變，且座板四周距離氣流入口較遠(yuǎn)的端口直徑較大，使得流速較一致。需合理控制空氣分布，以滿足每個(gè)熱源的散熱要求。根據(jù)部件溫度均勻性和溫度控制要求，需均勻供風(fēng)以保證散熱效果。均勻送風(fēng)即實(shí)現(xiàn)流量分布均勻，保證每個(gè)出口的流量相等，使流道出口表面整體速度分布均勻［9］。本次計(jì)算結(jié)果中，80%以上出口速度基本相同，可視為速度均勻。由此，可有效改善人體和座椅接觸面的空氣自然流通環(huán)境。

3.3壓力場(chǎng)分析

座椅通風(fēng)流道表面的壓力分布如圖9所示。本文中提及的壓力均為相對(duì)壓力，即絕對(duì)壓力與大氣壓力的差值。在座板中央觀察到高壓區(qū)域，入口流量在9.6g·s?1時(shí)，最大壓力為1.863Pa，而其他出口壓力相當(dāng)?shù)汀Ｗ钔馊Φ某隹趬毫ψ钚∏覠o負(fù)壓，但由于端口直徑從內(nèi)往外逐漸增大，相較于內(nèi)圈出口壓力來說并未顯著降低。表4為不同質(zhì)量流量時(shí)出口平均壓力及最大、最小壓力。當(dāng)入口質(zhì)量流量分別為2.4、6.2和9.6g·s?1時(shí)，座椅表面平均壓力分別為0.263、0.771和1.284Pa。

由表4可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口處入口質(zhì)量流量分別為2.4、6.2和9.6g·s?1時(shí)，座椅表面平均壓力分別為0.263、0.771和1.284Pa。座椅表面中心采取不打孔的流道設(shè)計(jì)方式，使得進(jìn)風(fēng)口風(fēng)垂直射流進(jìn)入腔室內(nèi)部接觸到內(nèi)壁后，氣流均勻散開從表面端口流出，有效防止局部壓力過大。并且端口打孔直徑由內(nèi)往外線性增大可使座椅表面壓力分布均衡。由壓力云圖可看出，風(fēng)道出口表面整體壓力控制較好，整體壓力較小，人體不會(huì)有太大的感受，較均衡的壓力分布有助于提升人體熱舒適性。

4結(jié)論

本文選取了一種流道布置形式。在此基礎(chǔ)上建立了汽車通風(fēng)座椅模型，并進(jìn)行了CFD仿真模擬計(jì)算，分析了多孔座板的壓力和速度的分布。得到結(jié)論如下

（1）建立了具有通風(fēng)功能的汽車座椅模型。為使座椅表面速度和壓力分布均勻，滿足人體熱舒適性要求，座椅表面氣流出孔排布方式為輻射狀，且端口打孔直徑由內(nèi)往外線性增大；為避免座椅中間局部壓力過大，中央采用不打孔的流通設(shè)計(jì)方式。

（2）對(duì)汽車通風(fēng)座椅內(nèi)部流道進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了通風(fēng)風(fēng)道流場(chǎng)的壓力和速度分布情況。結(jié)果表明：進(jìn)風(fēng)口風(fēng)垂直射流進(jìn)入腔室內(nèi)部并接觸到內(nèi)壁后，氣流均勻散開從表面端口流出，有效防止局部壓力過大，且端口打孔直徑由內(nèi)往外線性增大可使座椅表面速度和壓力分布均衡。座椅通風(fēng)有效改善了人體和座椅接觸面的空氣自然流通環(huán)境，提升了人體熱舒適性。

（3）汽車座椅舒適性因人而異且與室外環(huán)境息息相關(guān)，性別、身高、體重、濕度、室外溫度都會(huì)影響駕駛員與乘車人的乘車體驗(yàn)。本文僅對(duì)汽車座椅進(jìn)行模擬仿真，調(diào)研汽車座椅通風(fēng)對(duì)人體舒適性的影響。通過分析可知，夏季人體體表溫度過高，座椅通風(fēng)系統(tǒng)可以有效地降低體表溫度，汗液潛熱傳遞顯著，有助于提升通風(fēng)效果，并且可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量達(dá)到最佳舒適度。

目前絕大數(shù)座椅通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用于夏季為人體降溫。冬季座椅材質(zhì)和保暖衣物的存在會(huì)使人體舒適度情況變得復(fù)雜，接下來會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，并考慮對(duì)溫度與保溫衣服的材質(zhì)進(jìn)行模擬研究，以使人們?cè)诙境鲂袝r(shí)也有舒適的體驗(yàn)。