摘要：采用CFD仿真方法研究了瞬態(tài)變化的汽車乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境和乘員舒適性。首先通過(guò)仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析的方法校準(zhǔn)了仿真模型，接著用校準(zhǔn)后的模型分析了乘員艙內(nèi)氣流流動(dòng)情況、溫度分布及乘員艙內(nèi)空氣品質(zhì)，最后分析了輻射對(duì)乘員艙內(nèi)熱負(fù)荷的影響。結(jié)果表明：仿真模型中主副駕頭部溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)值一致，且溫度誤差在1 ℃范圍內(nèi)；乘員頭部以及軀干大部分風(fēng)速分布較為均勻，溫度適中，空氣較為新鮮，乘員會(huì)有較高舒適感，但腿腳部風(fēng)速過(guò)低，溫度高，舒適性較差；增加輻射模型后，乘員頭部溫度較無(wú)輻射條件下升高3 ℃。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)該仿真方法來(lái)精準(zhǔn)調(diào)控乘員艙氣流流動(dòng)和溫度分布，提升乘員乘坐體驗(yàn)，同時(shí)為優(yōu)化汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)，對(duì)提升產(chǎn)品舒適性方面提供重要參考。

關(guān)鍵詞：乘員艙；舒適性；空氣齡；CFD

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2024-10-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.006

1 前言

乘坐汽車時(shí)，車內(nèi)空氣新鮮度、溫度分布及車內(nèi)氣流速度分布是否適宜是決定乘員乘坐舒適度的重要因素。乘員會(huì)受到外界太陽(yáng)輻射、車內(nèi)空氣的溫度與氣流以及座椅熱傳導(dǎo)等因素的影響，人—車—環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)集合對(duì)流、輻射、蒸發(fā)和傳導(dǎo)等熱交換模型的復(fù)雜系統(tǒng)。復(fù)雜的人—車—環(huán)境系統(tǒng)和在短時(shí)間車內(nèi)不同位置乘員對(duì)于熱舒適性的需求，使汽車熱舒適性研究存在一定難度[1-3]。

對(duì)乘員艙熱舒適性的研究主要有兩種方法：一種為試驗(yàn)研究，主要是在環(huán)境倉(cāng)或室外進(jìn)行試驗(yàn)，但該方法需要消耗時(shí)間和試驗(yàn)成本，而且在試驗(yàn)中溫度測(cè)點(diǎn)的數(shù)量有限，不能從有限的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中得出完整的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布;另一種方法是通過(guò)CFD仿真計(jì)算，模擬實(shí)際環(huán)境，通過(guò)對(duì)乘員艙內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，可得到乘員艙內(nèi)空氣流速及溫度等分布情況，進(jìn)而分析車內(nèi)熱環(huán)境對(duì)乘員熱舒適的影響。

本文在某款VAN車的空調(diào)風(fēng)道和駕駛艙三維模型的基礎(chǔ)上，加入駕駛員和乘客三維人體模型，對(duì)乘員艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。首先通過(guò)該VAN在無(wú)輻射條件環(huán)境倉(cāng)中的空調(diào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)定乘員艙仿真模型；然后對(duì)標(biāo)定后乘員艙模型內(nèi)部的氣流流動(dòng)情況、溫度分布、速度分布以及空氣品質(zhì)進(jìn)行細(xì)化分析；最后對(duì)該模型施加輻射邊界條件，研究增加輻射條件后對(duì)主副駕頭部溫度的影響。

2 仿真模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文中采用數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)研究乘員艙中空氣流動(dòng)及溫度分布，為簡(jiǎn)化計(jì)算的同時(shí)保留較高的計(jì)算精度，本文研究過(guò)程中作出如下假設(shè)：a.乘員艙內(nèi)空氣為不可壓縮流體；b.乘員艙內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)為湍流，且湍流黏性為各向同性；c.乘員艙氣密性好，不存在氣體泄漏；d.考慮太陽(yáng)輻射時(shí)忽略固體壁面間的熱輻射，且乘員艙內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)[4-6]。

2.2 網(wǎng)格模型及邊界條件

本文乘員艙計(jì)算模型主要包括空調(diào)風(fēng)道、出風(fēng)口（帶格柵）、乘員艙內(nèi)飾、儀表板、座椅及假人。網(wǎng)格建模方法采用風(fēng)道與駕駛艙分別單獨(dú)建模，然后通過(guò)在風(fēng)道的出口和駕駛艙的入口間建立交界面（interface）交換物理量的方式來(lái)建立。在前處理軟件Hypermesh中對(duì)空調(diào)風(fēng)道、出風(fēng)口及格柵進(jìn)行詳細(xì)建模，簡(jiǎn)化駕駛艙內(nèi)的內(nèi)飾及細(xì)微結(jié)構(gòu)，對(duì)駕駛艙進(jìn)行封閉處理；將Hypermesh處理后的風(fēng)道及乘員艙模型導(dǎo)出為nas格式并導(dǎo)入Star-CCM+中，須對(duì)導(dǎo)入Star-CCM+中的駕駛艙進(jìn)行包面和網(wǎng)格重構(gòu)處理，在Star-CCM+中用泄漏檢測(cè)工具檢測(cè)駕駛艙內(nèi)部的連通性，確保駕駛艙內(nèi)部是個(gè)封閉的空間后進(jìn)行包面操作，包面的基本尺存設(shè)置為5 mm，執(zhí)行間隙封閉功能，最小間隙設(shè)置為2.5 mm；包面完成后需要對(duì)包面進(jìn)行面網(wǎng)格重構(gòu)處理，面網(wǎng)格重構(gòu)尺寸如表1所示，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查，按表1中參數(shù)重構(gòu)網(wǎng)格可在保證求解精度的同時(shí)提升模型計(jì)算效率。重構(gòu)后的乘員艙面網(wǎng)格如圖1所示。

劃分體網(wǎng)格時(shí)體網(wǎng)格單元類型使用多面體（Polyhedral）單元，邊界層設(shè)置上采用3層、拉伸比1.3，總厚度4 mm，入口、出口及交界面禁止生成邊界層，邊界增長(zhǎng)速率選擇中等，最終計(jì)算模型總網(wǎng)格數(shù)為300萬(wàn)左右。

為與該VAN試驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)，本文采用瞬態(tài)物理模型來(lái)計(jì)算乘員艙內(nèi)流動(dòng)情況，流體流動(dòng)屬于空氣低速流動(dòng)，為保證湍流模擬的準(zhǔn)確性，采用Realizable K-Epsilon湍流模型，施加輻射模型時(shí)輻射模型采用S2S模型，人體的熱邊界條件設(shè)置為：人體表面均勻散熱，駕駛員散熱量為176 W，副駕乘員散熱量為116 W。入口流量為0.122 kg/s，入口溫度為試驗(yàn)測(cè)得。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 仿真值與試驗(yàn)值對(duì)標(biāo)

為校準(zhǔn)仿真模型的準(zhǔn)確性，須將仿真模型根據(jù)試驗(yàn)值進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定模型時(shí)為提高效率可采用穩(wěn)態(tài)仿真進(jìn)行標(biāo)定，仿真模型中空調(diào)格柵狀態(tài)須與試驗(yàn)時(shí)狀態(tài)一致，提取仿真模型中主副駕頭部溫度，主副駕頭部測(cè)點(diǎn)需與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)保持一致，通過(guò)調(diào)整仿真模型中乘員艙車體與玻璃的傳熱系數(shù)，使仿真模型中的主副駕頭部測(cè)點(diǎn)溫度與試驗(yàn)值一致，此時(shí)標(biāo)定后的乘員艙仿真模型可用于后續(xù)的乘員艙熱舒適性的研究。

本仿真模型經(jīng)過(guò)穩(wěn)態(tài)標(biāo)定后再進(jìn)行瞬態(tài)分析驗(yàn)證，主副駕頭部溫度變化曲線與試驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，仿真模型中主副駕頭部溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)值一致，且溫度誤差在1 ℃范圍內(nèi)，說(shuō)明本仿真模型有較高的精度，可用來(lái)模擬乘員艙內(nèi)的真實(shí)空氣流動(dòng)。

3.2 乘員艙內(nèi)氣流流動(dòng)情況分析

圖3為乘員艙內(nèi)的氣流流線圖。由圖中可以看出氣流從空調(diào)風(fēng)道入口流經(jīng)空調(diào)風(fēng)道和格柵，從空調(diào)出口流入乘員艙中。由于空調(diào)管道中管徑的粗細(xì)變化，氣流流速會(huì)在管道中被加速，從空調(diào)左出風(fēng)口流出的氣流會(huì)直吹到駕駛員左胳膊上，過(guò)冷的氣流直吹到駕駛員胳膊上會(huì)使乘員感到不適，中間兩個(gè)出風(fēng)口的氣流直吹到駕駛艙的后背板上，然后一部分經(jīng)由車頂和前擋風(fēng)回流，這部分回流的低溫空氣會(huì)降低整個(gè)乘員艙的溫度，會(huì)提高乘員舒適性，經(jīng)由乘員腿腳部回流氣流較少，會(huì)影響其散熱，對(duì)乘員舒適性產(chǎn)生不利影響。由圖4的流速圖可以看出，從空調(diào)出風(fēng)口吹出的冷風(fēng)能以不低于2 m/s的速度貫穿整個(gè)駕駛艙吹至駕駛艙后背板上；由圖5的乘員面部截面風(fēng)速分布可以看出，乘員面部截面上分布有較大面積的高于2 m/s的風(fēng)速，此風(fēng)速可通過(guò)調(diào)整格柵位置吹到乘員身體不同部位，可提高乘員舒適性。

空氣的流速和方向?qū)θ梭w舒適性影響很大，舒適的氣流速度一般為0.25 m/s左右，當(dāng)氣流速度達(dá)到0.15 m/s時(shí)，就可以感到空氣清新而產(chǎn)生新鮮感[5]。由圖6所示的乘員表面風(fēng)速可以看出，主副駕頭部以及軀干大部分風(fēng)速分布較為均勻，在0.1～0.5 m/s范圍內(nèi)，乘員會(huì)有較高舒適感；主駕胳膊及左肩部和副駕上臂風(fēng)速過(guò)高，這是由于仿真時(shí)空調(diào)風(fēng)口格柵處于設(shè)計(jì)狀態(tài)，可對(duì)出風(fēng)口方向及格柵角度進(jìn)行調(diào)整，使風(fēng)量分布更為均勻，提高舒適性；主副駕腿腳部風(fēng)速過(guò)低，舒適性較差。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可通過(guò)優(yōu)化出風(fēng)口結(jié)構(gòu)、格柵結(jié)構(gòu)以及出風(fēng)口相對(duì)方向盤的布置等，來(lái)優(yōu)化乘員艙內(nèi)空氣流動(dòng)的狀態(tài)以及避免方向盤阻擋空調(diào)出風(fēng)直吹人臉。

3.3 溫度場(chǎng)分析

由圖7主駕人體對(duì)稱截面溫度分布圖可以看出，主駕頭部和軀干周圍空氣溫度在28 ℃左右，舒適性較好，腿部周圍空氣溫度在30 ℃左右，舒適性較差。由圖8主駕人體表面溫度分布可以看出，主駕腳部、手和腿部溫度最高，達(dá)到35 ℃左右，其次頭部溫度達(dá)到34.5 ℃，軀干的右臂在31～32 ℃之間，感覺(jué)較為舒適，左臂受風(fēng)口直吹的影響，溫度為27 ℃。綜合來(lái)看，除腿腳部溫度高感覺(jué)不適外，主駕其余部位感覺(jué)較為舒適，結(jié)合上文乘員艙內(nèi)空氣流動(dòng)分析，主要是由于腿部風(fēng)口出風(fēng)難以直接吹到且回流風(fēng)量少引起的。

3.4 空氣品質(zhì)分析

空氣齡評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠全面評(píng)估乘員艙內(nèi)的空氣質(zhì)量，包括新鮮空氣的分布和循環(huán)情況，從而確保乘員艙內(nèi)的空氣始終保持新鮮和清潔?。相較于其他空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)如污染物濃度等，空氣齡能夠直接反映空氣從源頭到被吸入人體所經(jīng)歷的時(shí)間，從而提供空氣新鮮度的直觀信息，故本文使用空氣齡來(lái)評(píng)價(jià)乘員艙內(nèi)空氣的新鮮度。

圖9展示了空調(diào)中間出風(fēng)口Y=100 mm截面及主駕人體對(duì)稱截面三個(gè)截面上的空氣齡分布。由圖中可以看出，從空調(diào)風(fēng)口流出的風(fēng)道上空氣齡較低，在5 s以內(nèi)，隨著空調(diào)吹出的氣流撞擊乘員艙后背板向儀表板回流的過(guò)程中空氣齡逐漸升高，從主駕人體對(duì)稱截面圖上可以明顯看出主駕頭部及軀干附近空氣齡在20 s以內(nèi)，空氣新鮮度較好，前擋風(fēng)玻璃附近及主駕腿部空氣齡在25 s以上，最差處超過(guò)30 s，這是因?yàn)檫@兩處空間空調(diào)出風(fēng)不能直接吹到，且空調(diào)吹出的氣流撞擊乘員艙后背板的回流氣體在這兩處空間形成渦流，這與上文中乘員艙中氣流流動(dòng)情況分析一致。

3.5 增加輻射后結(jié)果分析

根據(jù)該VAN車主銷地區(qū)光照特征，設(shè)置太陽(yáng)輻射邊界條件為：輻射強(qiáng)度為直射1 160 W/m2，漫反射800 W/m2，太陽(yáng)角度為方位角90°，高度角70°。該輻射條件可根據(jù)不同季節(jié)、不同地理位置等工況的光照特征進(jìn)行實(shí)際調(diào)整以滿足開(kāi)發(fā)需求。增加輻射模型后，太陽(yáng)輻射照射到車體上會(huì)將輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，顯著增加乘員艙內(nèi)的熱負(fù)荷。由圖10可以看出，增加輻射后，乘員艙內(nèi)降溫速率與無(wú)太陽(yáng)輻射條件下相當(dāng)，但在乘員艙內(nèi)溫度穩(wěn)定后增加太陽(yáng)輻射條件下會(huì)比無(wú)輻射條件高3 ℃。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析的方法，分析了瞬態(tài)變化的汽車乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境和乘員身體各部位的溫度及風(fēng)速分布，得出以下結(jié)論：

a.建立了乘員艙熱舒適性流體計(jì)算模型，并將主副駕頭部溫度的仿真值與試驗(yàn)值對(duì)標(biāo)，對(duì)標(biāo)結(jié)果顯示模型中主副駕頭部溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)值一致，且溫度誤差在1 ℃范圍內(nèi)。

b.分析了乘員艙內(nèi)氣流流動(dòng)情況，從空調(diào)出風(fēng)口吹出的冷風(fēng)能以不低于2 m/s的速度貫穿整個(gè)駕駛艙吹至駕駛艙后背板上，主副駕頭部以及軀干大部分風(fēng)速分布較為均勻，在0.1～0.5 m/s范圍內(nèi)，乘員會(huì)有較高舒適感；但主副駕腿腳部風(fēng)速過(guò)低，舒適性較差。

c.分析了乘員艙溫度分布及空氣品質(zhì)，乘員除腿腳部溫度高感覺(jué)不適外，主駕其余部位感覺(jué)較為舒適；乘員頭部及軀干附近空氣齡在20 s以內(nèi)，空氣新鮮度較好，腿腳部空氣新鮮度較差，與乘員艙中氣流流動(dòng)情況一致。

d.增加輻射模型后，乘員艙內(nèi)降溫速率與無(wú)太陽(yáng)輻射條件下相當(dāng)，但在乘員艙內(nèi)溫度穩(wěn)定后增加太陽(yáng)輻射條件下會(huì)比無(wú)輻射條件高3 ℃。

e.未來(lái)可通過(guò)搭建空調(diào)系統(tǒng)的一維仿真模型，將一維空調(diào)模型與三維乘員艙模型耦合，可對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)及風(fēng)道及布置進(jìn)行一體化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升乘員艙乘坐體驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介

盧德釗，男，1993年生，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真。