汽车车室热舒适性的数值模拟及分析

来源:用户上传      作者: 冯雪丽 蒋水秀 李永辉

　　摘要：利用CFD的理论和方法，以汽车车室内的空气为研究对象，对车室进行合理的简化，应用CAD软件绘图建立三维物理模型，并在GAMBIT中建立非结构四面体的车室网格。并利用FLUENT软件对车室内空气的流场和温度场进行数值模拟，就不同的送风速度、送风温度、送风角度等参数，用TECPLOT软件将计算结果可视化，得到各特征断面温度场和流场的分布图，对车内流场进行了定性、定量的对比分析。
　　关键词：汽车车室；热舒适性；数值模拟；分析
　　1.研究背景和意义
　　1.1研究背景
　　伴随着汽车行业的迅猛发展和生活水平的提高，人们在购买汽车时不仅仅关注汽车的动力和安全，而且也更加关注车内的娱乐性，休闲性和舒适性[1]。汽车的舒适性能包括车室温度、湿度、空气流速、清洁度和噪音等，而车室温湿度又是主要研究对象。汽车空调系统作为影响车室温湿度的主要总成之一，其性能、价格也就直接或间接地影响市场竞争[2]。因而，对空调汽车的热舒适性的研究越来越成为人们关注的焦点，如何充分的利用空调系统改变汽车车室内空气流动状况和空气品质状况是人们研究的重点。
　　1.2研究意义
　　车内空气品质不仅仅是影响舒适性的问题，而且会影响到人们的身心健康。空调室内的气流组织对室内的空气环境，空气品质有着重要的影响，直接关系着室内的温度、湿度、洁净度、区域温差、区域流速及空调能耗，是空气调节的一个重要环节，因此成为工程设计中必须考虑的一个重点[3]。有效地通风和合理的气流组织对于改善室内空气品质，控制室内污染物浓度，保证实现舒适性空调有着重要的意义。
　　2.汽车车室内流场的数值模拟
　　汽车室内流场计算模拟就是一种虚拟模拟技术，相当于在计算机上做实验，以计算机为工具，通过数值计算方法进行模拟仿真，然后对计算结果进行图像显示，达到对物理问题和工程实际乃至自然界各类问题研究的目的。
　　2.1 数值模拟的总体流程
　　在数值模拟过程中，我们既可以直接编写程序进行计算，也可以借助于商用软件进行模拟，当然也可以采用在商用软件基础上进行编程开发的方法。但是无论采用何种计算方法，基本的计算思路和流程是类似的[4]。
　　2.2 物理模型
　　本文是对奔腾B70轿车实测参数进行数值模拟，因为轿车形状和内部结构非常复杂，为充分体现其主要矛盾，忽略次要的因素，必须对车室的物理模型进行简化[5]。
　　3. 数值模拟结果分析
　　3.1速度对车室温度场和流场的影响分析
　　不同速度对出口压降和沿程的压力分布也有一定的影响，但是对出口的温度和沿程的温度影响却不大。这也反映了只靠单纯改变风速来改变车室的舒适性有一定得盲目性，对空调设计者具有很高的参考价值。
　　不同的送风速度车室的流场基本相同，在司机前方形成一个涡流区域，会使司机具有较强的吹风感觉。从速度等势线来看，司机面部及前胸区域的速度范围大致为0.006～0.062、0.094～0.16m/s、0.076～0.243m/s、0.023～0.38m/s。法国Diania公司研究结果是车内空气流速在0.2-0.5m/s，能保证人体和周围环境的最佳热平衡，乘员的舒适性最好[6]。依此标准来看，送风速度为5m/s时较好，但是要考虑到地域及气候的差异，送风速度为4m/s时也是可以满足条件的，而且此时后座的乘客也能在较宽范围内获得凉风习习的感觉。
　　从形成的涡流趋势和分布来看，速度的变化对前排乘客的影响较小，主要对后排乘客影响较大。速度越大，涡流位置上移，这对改变后排乘客的舒适度具有很高的参考价值。
　　3.2温度对车室温度场和流场的影响分析
　　不同的送风温度对出口温度及沿程的温度影响较大，对速度和压力影响甚微。下面通过前后两个不同截面的温度分布来说明送风温度的对车室温度场的影响。
　　温度的改变几乎没对流场引起改变。在同一平面上，送风温度越低，乘员乘坐区域温度范围越低，越易获得舒适的温度。对比前后两排乘客，发现后排明显比前排温度高，最高温差约能达到2K。与提高风速相比，降低送风温度是较好的降温方式，但此时无可避免的要增加空调能耗。
　　3.3送风角度对车室的流场和温度场影响分析
　　送风角度的不同对车室的压力、速度、温度分布有不同程度的影响，其中对沿程温度分布影响相对比较明显。这就提示我们在相同的送风温度下，可以通过改变出风的角度来降低室温。角度愈小，风速愈高，温度也愈低，但是此时很容易出现涡流，造成前排乘客承受较大的吹风感觉。
　　4.展望
　　1. 从模拟结果来看，后排乘客的温度场比前排较高，这一点是轿车设计者易忽略的地方，可以试着采用不同的回风口位置和增加风道的方式来平衡乘客的温差。
　　2. 本文模拟时未直接使用太阳辐射模型，而是以间接的方式加入到边界条件设定中，对理论模拟具有一定的指导意义。
　　参考文献：
　　[1] 苏波.2011上海车展国际高峰论坛文字稿.http://auto.sina.com.cn/z/xxsxdcyzw/
　　[2] 龚光彩.CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用[J].暖通空调. 1999,29(6)：25-27
　　[3] 李先庭,杨建荣,王欣. 室内空气品质研究现状与发展[M].北京:清华大学出版社.1998.
　　[4] 陈江平,陈芝久,阙雄才. 空调轿车室内热微环境的数值模拟与实验研究[J].汽车工程. 1999,21(3): 171-176
　　[5] Yamazaki,K,et al. Application of numerical simulation for residential room air conditioning. ASHRAE Trans.1987, Vo1.93
　　[6] R.J.Baker,P.T.Williams,R.M.Kelso.Numerical Calculation of Room Air Motion-Part 1:Math, Physics , and CFD Modeling. ASHRAE.1994,100: 514-530
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