某重型貨車空調系統對乘員艙熱舒適性影響的分析與改進*

蘆克龍,谷正氣2,,賈新建,3,尹郁琦

(1.湖南大學,汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙 410082; 2.湖南工業大學,株洲 412007; 3.奇瑞汽車股份有限公司,蕪湖 241006)

前言

汽車空調的送風風道是汽車空調系統中重要的部件之一,其設計水平直接影響車內氣流組織的合理性,從而影響乘員艙的熱舒適性。對空調各風道進行風量分析,評價空調結構設計是否合理,這對提高乘員艙的熱舒適性有著重要的工程意義。

近年來,氣流在汽車空調風道內的流動情況一直備受關注。目前,隨著計算機和數值技術的快速發展,計算流體動力學(CFD)則為汽車空氣動力學的研究開辟了新的途徑。CFD在現代汽車空調上的應用能夠有效地模擬氣流在空調內部流動的情況,這對于汽車空調的設計有很大的實用價值,為空調結構優化提供了理論依據。

目前,利用CFD方法進行乘員艙熱舒適性方面的研究較多。其中文獻[1]重點研究出風口風速、風口尺寸和安裝位置對乘員艙熱舒適性的影響,并在此基礎上對空調系統進行改進,提高了乘員艙熱舒適性。但以前的數值仿真分析,往往沒有把整個空調系統考慮在內,沒有考慮風道結構設計對出風口流速不均勻性的影響,這與實際情況不符。作者將重型貨車空調系統和乘員艙作為一個整體,加入駕駛員模型,綜合考慮乘員艙的熱舒適性。

作者以某重型貨車的空調系統為例,利用商業軟件Fluent,對空調系統及乘員艙進行CFD分析,采用當量溫度 Teq,i作為評價指標,對乘員艙熱舒適性進行分析,發現原空調系統的各風道風量分配不均勻,致使乘員艙內部氣流組織不合理,熱舒適性較差,于是對空調系統進行改進,使乘員艙熱舒適性得到明顯改善。

1 空調系統模型

圖1為該重型貨車空調系統(HVAC)包括各風道的幾何模型,HVAC采用整體中置式結構,其6個出風口配合車身風道實現左、中、右吹風及除霜吹風,并具備腳部吹風功能。HVAC位于整個模型中間,連接著前吹面、左吹面、右吹面、左吹腳、右吹腳和除霜等風道。

2 CFD仿真及驗證

2.1 基本控制方程

氣流在HVAC和風道內的流動是復雜的三維湍流流動,對湍流的處理采用標準 k-ε雙方程模型。湍流計算的基本控制方程為三維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程,簡稱RANS方程,即

(1)連續方程為

(2)運動方程為

(3)能量方程為

式中:矢量ui、uj為平均速度分量;v為平均速度;矢量xi、xj為坐標分量;p為流體微元體上的壓力;μeff為湍流有效黏性系數;ρ為空氣密度 (常溫, 1.205kg/m3);T為溫度;cp為比熱容;k為流體的傳熱系數;ST為流體的內熱源及由于黏性作用流體機械能轉化為熱能的部分[2-3]。

2.2 網格生成和邊界條件設置

文中運用ICEM CFD 10.0來完成網格的劃分,采用Delaunay三角形方法在整個計算流域面生成半結構化網格,同時對曲率變化比較劇烈的曲面處進行網格加密,以提高計算精度。為了研究乘員艙熱舒適性,須要加入簡化乘員艙和駕駛員模型,圖 2為空調系統和乘員艙網格圖。計算域邊界條件設置見表 1[4-5]。

表1 計算域邊界條件設定

2.3 試驗驗證

試驗時不加風道,只對HVAC進行檢測。在風量性能測試臺上對該重型貨車HVAC總成進行出風口風量分布檢測。該風量性能測試臺用于汽車空調風量分配的性能試驗,滿足標準QC/T 657—2000的要求。被測風量范圍為 0～800m3/h,測定精度可達3%。采用CFD軟件Fluent進行仿真。為了與試驗結果對比,同樣只對HVAC進行仿真。仿真和試驗各風道風量分配對比結果見表 2。

表2 仿真和試驗對比(僅考慮HVAC)

試驗檢測時,考慮到密封條件,風量有所泄漏。各風口總出風量小于總風量580m3/h。仿真與試驗對比,各風口風量分配誤差在5%以內,證明用CFD的方法進行模擬仿真是可行的。

3 空調系統分析

3.1 熱舒適性評價

近年來國內外的研究成果充分證實了人體熱舒適性是多種因素綜合作用的結果,是一種主觀心理反應。空氣的流動直接影響人體皮膚表面與環境的對流換熱及皮膚表面水分蒸發,即皮膚表面的熱損失,也就對人體熱舒適性產生影響。目前評價全身熱舒適性的指標有多種,其中最常用的是 PMV指標。然而,由于重型貨車乘員艙內的空氣流動速度和溫度梯度很大,太陽輻射不對稱,艙內熱環境非常不均勻。因此,采用PMV指標不能評價乘員艙內乘員的熱舒適性,需要發展新的評價指標,這里,采用Teq,i作為新的評價指標。

首先將駕駛員人體分為 16個節段,計算每個節段與周圍環境的熱交換,然后利用局部熱舒適評價指標 i代替全身熱舒適評價指標來研究非均勻環境中人體熱舒適性問題。強迫對流條件下人體第 i節段當量溫度Teq,i的計算公式為

式中:Teq,i為人體第i節段的當量溫度;Ts,i為人體第i節段的表面溫度;vair,i為人體第 i節段周圍的空氣速度;Si為第i節段的表面面積;Ta,i為第i節段周圍的空氣溫度;σ為斯蒂芬 波爾茲曼常數;εi為第i節段的發射率;fi,n為第i節段對部件表面的角系數; Ti為第i節段的溫度;Tn為乘員艙內部件的溫度; Qsol為人體得到的太陽輻射;hcal,i為在標準環境下感受器標定的第 i節段的對流換熱系數,i為人體的節段[6-7]。

文中模擬工況為高溫下空調系統制冷狀態。由式(4)計算駕駛員節段的Teq,i值,并與文獻[7]規定的合理 Teq,i值比較。駕駛員大部分節段的 Teq,i值偏高,其中胸、背、骨盆和左大腿節段的 Teq,i＞30℃見表 3,已超出文獻[7]規定的熱舒適范圍。

表3 人體部分節段Teq,i值 ℃

3.2 空調系統分析

合理的氣流組織能使車內保持合適的溫度和空氣流速范圍,符合人體的舒適感。空調系統各風道風量分配決定乘員艙內氣流組織,從而影響其熱舒適性。為了改善熱舒適性,應從各風道風量分配著手,考察氣流組織是否合理。

在重型貨車乘員艙內,為保證行車安全性,駕駛員的熱舒適性應優先考慮。在保證各出風口風量分配均勻的前提下,為了保證駕駛員周圍氣流流速,前吹面和左吹面風道的風量比例不能過低[8]。

將各風道模型加入HVAC一起仿真。由于受附加風道的影響,各風道風量比例有所改變,結果見表4。左吹面風道風量比例適中,基本符合要求;除霜風道風量比例偏大,達到 50.3%;前吹面風道風量比例明顯偏低,僅占1.7%,送風效果很差。

表4 仿真風量分配

圖3為風道內的流線圖。由于左吹面和右吹面風道的彎道少,故氣流流動較為順暢,壓力損失小,出口流速相對較大;左吹腳和右吹腳風道彎曲過多,且壁面曲率較大,導致氣流產生較多漩渦,能量損失大,出口流速偏低;除霜風道中部區域存在較大的漩渦,由圖3可知,高速沖出的氣流從HVAC的3個出口流入除霜風道內部,又由于除霜風道縱向尺寸過短,且其出口為一狹窄的長方形(見圖 1),高速氣流遇到了壁面的阻礙作用而形成漩渦,而后氣流向兩側分開,出口氣流由兩側流出。

圖4為前吹面風道內的流線圖。由于前吹面風道相對于其出口(前吹面風道和HVAC交接處)而言,位置偏右。從其出口出來的風速明顯偏小,加之彎道阻力影響,氣流只能從離其出口距離最近的兩個出口流出,離其出口距離較遠的兩個出口(圖中所指部位)無氣流流出,甚至出現回流。前吹面風道風量分配比例過低,未達到設計指標,亟待改進。

圖5為乘員艙上部距地板1 000mm處平面速度分布云圖。從圖 5可看出,該乘員艙氣流組織不合理,氣流漩渦較大,前吹面風口風速偏小,乘員艙內有大片低速區域,特別是駕駛員軀干部位風速低于0.4m/s,不利于熱量交換,致使駕駛員Teq,i值偏高。

4 改進方案

為了增加前吹面風道風量比例,使流場分布更加合理,改善乘員艙的熱舒適性,須對原空調系統結構進行改進。

(1)HVAC導流片

HVAC內部的導流片對風道內氣流的流動有很大影響,導流片設計的好壞直接影響各風道出風量的大小。分析原空調系統的流場,HVAC連接前吹面風道處的導流片設計不合理,阻滯氣流進入前吹面風道,可考慮去掉此導流片[9]。

(2)前吹面風道的位置

風道的安裝位置也影響其風量分配。改變前吹面風道的安裝位置,將前吹面風道往下方平移,使得氣流流過HVAC的下部時,直接沖擊前吹面風道,從而增加前吹面風道的風量。

(3)局部曲面曲率

原始前吹面風道壁面彎曲過多,曲率較大,導致氣流產生較多的漩渦,能量損失過大,出口流速偏低,有回流。改進局部曲面曲率,能減小壓力損失,使氣流流動順暢,提高風口的流速,增加出風量。

綜合考慮以上 3種方案,重新計算風量分配,其結果見表5。從表 5可看出,改進后各風道風量分配趨于合理,前吹面風道風量比例明顯增大。

表5 綜合改進后風量分配

由式(4)計算出改進后駕駛員每節段的 Teq,i值,并將該值與改進前進行比較,如圖 6所示。圖中兩條黑色粗線為文獻[7]給出的熱舒適性邊界線。改進后,整體 Teq,i值均有一定程度減小,大部分節段的Teq,i值位于舒適范圍內。

5 結論

(1)對HVAC進行仿真,將各風道風量分配與試驗結果進行對比,其誤差在5%以內,仿真和試驗吻合較好,驗證了用CFD進行數值仿真的可行性。

(2)空調系統的設計水平很大程度上影響乘員艙的熱舒適性。結構設計決定各風道風量分配比例,這將直接影響乘員艙內氣流組織,進而影響乘員艙熱舒適性。

(3)在空調各風道中,前吹面風道風量分配比例對乘員艙熱舒適性影響很大。對空調系統進行局部改進,如去除導流片、改變前吹面風道的位置和局部曲面的曲率,這些措施增加了前吹面風口的出風量,改進后前吹面風道風量比例提高了 28%,在很大程度上改善了乘員艙的熱舒適性。

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