汽車乘員艙內溫度場的數值仿真及試驗研究＊

蘭鳳崇，魏 文，郭巧嫣，李麗芬

（1．華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640；2．中國計量學院 現代科技學院，浙江 杭州 310018；3．廣東省汽車工程重點實驗室，廣東 廣州 510640）

舒適環保是消費者購買汽車的一個重要的考慮因素，汽車乘員艙內的熱舒適問題已經成為廣大消費者、研究學者和汽車廠商關注的熱點和焦點問題．車內小空間熱環境和乘員熱舒適性密切相關，車內的空氣溫度、相對濕度、氣體流速和平均輻射溫度等環境因素直接作用于人體體表，影響乘員的主觀熱舒適感覺．汽車空調是調節車內溫度、濕度、空氣清潔度和空氣流動性的主要手段，也是提高乘員乘坐舒適性的主要途徑．據統計，在城市行車中，85%的旅程在18km 以內，行車耗時約15～30 min［1］．文獻［2］和文獻［3］的研究表明，在不考慮人體散熱的情況下，空調制冷模式開啟后的10 min 和15 min內，車內溫度變化相對劇烈，之后車廂熱環境變化較小．可見，人們從外部環境進入車內后短時間內的熱舒適感覺對整車的乘坐熱舒適性評價是相當重要的．汽車空調系統應在盡可能短的時間內將乘員艙內的熱環境調節至人體的舒適范圍，還應避免因溫度變化過快引起人體的熱不舒適感．汽車空調的設計不僅要著眼于縮短使車內熱環境達到穩定狀態的時間和保證達到穩態后乘員的熱舒適性，還應保證在升溫或降溫的動態過程中乘員的熱舒適性．因此，研究自然暴曬中空調開啟后乘員艙內熱環境的變化規律，對提高整車的乘坐熱舒適性、增強汽車的市場競爭力有重要意義．

太陽輻射、空調系統和人體散熱是影響乘員艙熱環境的主要因素．國內外學者就其中一個或某幾個因素對乘員艙熱環境的影響進行了研究．文獻［4］將車身壁面溫度設為定溫，對比不同局部制冷策略下駕駛員的熱感覺和熱舒適性．文獻［5］通過數值方法研究了空調出風的流量、速度和溫度等流量參數和出風口面積、形狀等幾何參數對駕乘人員局部和整體熱舒適性的影響．文獻［6］比較有／無搭載人員兩種情況下，空調冷卻風射出角度對車內溫度場和流場的影響．文獻［7］通過試驗分析濕度對車內溫度及乘員熱舒適性的影響．國內學者也針對轎車、客車等不同車型開展相關研究［8－10］．已有學者根據乘員熱舒適性和車內溫度場的要求來改進空調系統［11－12］．如蘆克龍等［13］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，根據乘員的熱舒適性對空調的風道設計進行改進，達到改善駕駛員熱舒適性的目的．黃木生［14］構建了適用于評價微型車乘員艙乘員熱舒適度的準則，在某款微型汽車的開發中得到應用．

本文結合數值仿真和物理試驗對太陽輻射、空調系統和人體散熱共同作用下乘員艙內熱環境和人體體表溫度的熱響應過程進行研究，建立了乘員艙內的溫度場－流場模型，包括乘員艙傳熱模型、車內空氣流模型和人體散熱模型，仿真得到乘員艙的穩態溫度場和人體表面溫度分布；在空調關閉的情況下對試驗車輛進行1h的空車自然暴曬試驗，緊接著試驗人員進入副駕駛座開始30min的空調制冷試驗，研究成果為設計高效的空調控制策略提供科學依據和理論指導，實現減小乘員艙熱負荷、提升乘員的熱舒適感覺的目的．研究成果對構建節能、舒適、安全的車內乘坐環境具有深遠意義．

1 乘員艙內溫度場－流場模型

1．1 物理模型

以某轎車車廂簡化模型為研究對象，見圖1．該車廂幾何模型長2 610mm，寬1 715mm，高1 780 mm；副駕駛座上安裝人體模型；空調系統的4個出風口對稱布置在前排的儀表板上，中間2個、兩側各一個；空調回風口位于副駕駛座下方．

圖1 車廂與人體幾何模型Fig．1 Geometry model of passenger compartment and human body

1．2 數學模型

計算流體力學理論以3 個流動基本方程為基礎，遵守質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律．乘員艙內空氣的流動和熱傳遞滿足質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程．直角坐標系下這3個基本方程可分別表示為：

式中：ρ為密度；t為時間；x為坐標分量；i，j＝1，2，3，表示直角坐標中相互垂直的坐標方向；ui為速度矢量；P為流體單元受到的壓力；τij為流體單元表面上的粘性應力分量；Fi為流體單元上的體力；T為溫度；k為流體的傳熱系數；cp為比熱容；ST為粘性耗散項．人體因新陳代謝會向外散發熱量，本文將乘員簡化成散熱恒定的熱源，熱流密度為150 W／m2，不考慮服裝熱阻．

1．3 邊界條件

邊界條件的設置對數值仿真的結果有很大影響，應盡量貼合實際．參考已有研究成果，并考慮汽車實際的使用工況，設置的邊界條件具體如下：

1）4個空調出風口采用速度入口邊界條件，儀表板兩側的出風風速為7m／s、溫度為290K，湍動能k＝0．184，湍動耗散率ε＝1．43；儀表板中間的2個出風口風速為10m／s、溫度為290K，湍動能k＝0．175，湍動耗散率ε＝1．33；

2）空調回風口為壓力出口，P＝101 325Pa；

3）車廂地板和車身定義為無滑移的壁面邊界條件；

4）車窗、天花板、儀表板及座椅參與車廂內的對流、傳導及輻射熱交換過程，設為外部輻射邊界條件；

5）選用DO 模型計算太陽輻射強度，認為車內空氣是不可壓縮的．

2 乘員艙內熱環境仿真分析

仿真得到乘員艙內穩態溫度場，見圖2．人體模型的表面溫度大多處于306～310K；兩側手臂由于受空調冷風直吹，溫度較低，溫度為298～300K；兩側肩膀和大腿根部的溫度最高，約318K．汽車內表面的最高溫度出現在后窗臺的邊角位置，約322K；儀表板靠近前風擋玻璃的位置也呈現出較高的溫度．截取4個截面，研究乘員艙內的空氣溫度分布．具體位置是：截面Ⅰ，前排座椅側前150mm 垂直剖面；截面Ⅱ，后排座椅側前150 mm 垂直剖面；截面Ⅲ，副駕駛員位置縱向中剖面；截面Ⅳ，副駕駛員胸部水平剖面，見圖3．

圖4為各截面溫度分布情況，4 個截面中溫度波動都保持在4K 以內，乘員艙內車內穩態溫度場的溫度均勻性較好．截面I和截面Ⅲ均顯示前、后乘員艙的腳部溫度都比胸部和頭部溫度高出2K；截面I顯示，兩側車門附近、高度相當于乘員小臂位置的空氣溫度低于其他位置的空氣溫度；截面Ⅱ中，各個位置的溫度差異較小；截面Ⅳ顯示乘員胸部水平面上車廂內各處的溫度值，前儀表板溫度較高，其他位置的溫度基本相同．

圖2 制冷工況下乘員艙內的穩態溫度場Fig．2 Stable temperature field of passenger compartment under cooling condition

圖3 截面示意圖Fig．3 The sections

太陽輻射、空調送風方向和車內結構設計影響乘員艙內不同位置的冷卻效果．駕駛座和副駕駛座的乘員外側小臂位置受到冷卻風的直吹作用，冷卻效果明顯，溫度比肩部和腳部低．太陽光通過車窗玻璃直接照射在儀表板和后窗臺上，二者吸收的熱量較多；儀表板表面位于空調出風口上方，冷卻風只能通過自由擴散達到該區域，對流冷卻強度明顯不足；空調出風口全都安裝在前排的儀表板上；冷卻風受到人體和座椅等固體區域的阻礙，到達后排時速度減小且因吸熱而導致溫度上升，對后排的冷卻效果較差，在后窗臺貼近后車窗的狹小空間內形成氣流死角，冷卻效果較差．冷卻風流到后排時，方向性減弱而向各個方向發散，因而各個位置的冷卻程度沒有明顯的差別．

圖4 截面溫度等值線圖Fig．4 Section temperature contour map

3 乘員艙內熱環境試驗

試驗在8月份某天的中午進行，試驗用車停放在廣州某戶外停車場，室外溫度34．3 ℃，相對濕度52．6%．試驗人員穿著夏季服裝（0．5clo）．試驗分兩個階段連續進行：暴曬升溫階段，試驗車輛以空車狀態在戶外進行1h太陽暴曬，期間汽車空調關閉；緊接進行制冷降溫階段，試驗人員迅速進入副駕駛座，啟動空調制冷模型，送風溫度設為22 ℃，風量開至最大，水平方向送風，制冷持續30min．圖5為試驗現場的部分情況．

試驗共布置13個溫度傳感器，其中有6個空氣溫度測點和7個零部件表面溫度測點．為了準確測量分布在乘員艙各處的空氣溫度，在乘員的頭部、胸部和腳部位置都布置了溫度傳感器，前后排各3個測量點；車內零部件表面溫度的7個溫度測量點分布在儀表板、天花板、前風擋玻璃、駕駛員側的坐墊和靠背、副駕駛員側的坐墊和靠背，具體的測點位置見圖6．數據采集器每5s采集一次溫度數據．

3．1 試驗結果與仿真結果對比驗證

各零部件表面溫度和人體體表溫度的試驗結果與數值仿真結果對比如表1和表2所示．除了座椅外，其他位置的試驗值和仿真值誤差均控制在10%之內，整體上仿真計算結果與試驗結果吻合較好，可認為符合工程計算的要求，驗證了前述計算模型選擇和邊界條件設置的合理性和準確性．

圖5 試驗現場Fig．5 Test site

圖6 溫度測點分布Fig．6 Temperature sensors distribution

表1 零部件表面溫度Tab．1 Parts’surface temperature

表2 人體表面皮膚溫度Tab．2 Human body skin temperature

3．2 試驗結果分析

3．2．1 暴曬升溫階段的試驗結果分析

利用Matlab對采集到的溫度數據進行曲線擬合．暴曬升溫階段車內沒有搭載人員、空調關閉，乘員艙溫度主要受太陽輻射的影響．

車內空氣平均溫度和零部件表面平均溫度的變化如圖7所示，該組數據通過對測點溫度進行算術平均得到．在太陽下暴曬1h后，車內空氣平均溫度和零部件表面平均溫度分別達到了44 ℃和49 ℃．各零部件表面溫度變化如圖8所示．由于儀表板受到通過車窗玻璃的太陽光直射，所以其溫度始終高于前擋風玻璃和天花板，最高溫接近65 ℃；前擋風玻璃透射太陽光，吸熱量較小，最高溫約50℃；無法接受太陽直射的天花板最高溫只有46℃．駕駛員側坐墊和靠背的溫度都高于副駕駛員側對應位置的溫度，溫升速率也快于副駕駛側．太陽光主要從駕駛員側車窗玻璃進入車廂內部，導致正駕駛和副駕駛兩側的座椅表面溫度差異較大．圖9和圖10分別為乘員艙前排和后排的垂直方向上的空氣溫度變化．前排和后排垂直方向的溫度場分布基本相同，溫度從低處往高處逐漸增加，腳部、胸部和頭部溫度分別約為37 ℃，47 ℃，19 ℃．隨著暴曬時間的增長，垂直方向上的溫差也逐漸拉大．暴曬初始，頭部位置和腳部位置的溫度差約5℃，而在暴曬后期，溫差增大到12 ℃左右．造成這種差異的主要原因是車門阻擋部分太陽輻射，使腳部位置空氣的受光量較小，所以溫度上升幅度較小．在暴曬結束時，儀表板表面的溫度最高（65 ℃），前、后排腳部位置的溫度最低（約37℃），說明車內熱環境整體溫度較高、區域溫度差異性十分明顯．如果不能在短時間內有效地降低乘員艙內的溫差和高溫狀態，將會對前后排的乘坐熱舒適性造成極大影響．

圖7 暴曬升溫階段零部件和空氣平均溫度變化Fig．7 Average temperature change of parts and air during heating

圖8 暴曬升溫階段零部件表面溫度變化Fig．8 Surface temperature change of parts during heating

3．2．2 制冷降溫階段的試驗結果分析

在制冷降溫階段乘員艙熱環境受太陽輻射、冷卻風和人體散熱3個因素的綜合影響．

如圖11所示，在整個降溫過程零部件表面平均溫度始終高于空氣的平均溫度．在制冷的初始階段（10min內），零部件和車內空氣的平均溫度均出現大幅度下降，分別降低10℃和17℃，零部件的表面溫度變化曲線相對平緩．在隨后的20min降溫過程中，零部件表面溫度和車內空氣溫度變化較小，可認為車內的熱環境達到平衡狀態．

圖9 暴曬升溫階段乘員艙前排空氣溫度變化Fig．9 Front cabin air temperature change during heating

圖10 暴曬升溫階段乘員艙后排空氣溫度變化Fig．10 Rear cabin air temperature change during heating

各零部件表面溫度變化如圖12所示．在降溫過程中，儀表板的溫度始終高于前風擋玻璃和天花板，且降溫幅度最大，約25 ℃，前風擋玻璃和天花板降溫約20℃．因為溫度傳感器夾在人體與座椅表面之間，導致熱量無法散出，所以副駕駛座座墊和靠背的溫度變化不大，溫度與人體體溫相近，約37℃．駕駛座位置上的座墊和靠背出現了明顯的溫降，分別降溫約19 ℃和20 ℃，溫度變化主要集中在制冷階段的前10min內．

乘員艙前排和后排的空氣溫度變化分別如圖13和圖14所示．前排腳部的空氣溫度始終高于前排胸部位置和頭部位置的溫度，前10min內前排的空氣溫度下降很快，尤其是頭部位置和胸部位置的空氣溫度，這與空調冷卻風的出風角度有關．前排胸部位置接近水平射出的冷卻風高度，對流傳熱強度最強，降溫效果明顯．頭部和腳部的空氣未受到冷卻風的直接作用，其溫度變化主要受太陽輻射的影響．當空氣溫度達到穩定時，前排垂直方向上的溫度差約5℃，比空調關閉時減少了7℃，說明冷卻風能有效提高前排的溫度一致性．后排腳部位置溫度與頭部位置、胸部位置的溫度變化趨勢相似，溫差較小，但溫度值比前排高，與仿真結果吻合．

圖11 制冷降溫階段零部件和空氣平均溫度變化Fig．11 Average temperature change of parts and air during cooling

圖12 制冷降溫階段零部件表面溫度變化Fig．12 Surface temperature change of parts during cooling

圖14 制冷階段乘員艙后排空氣溫度變化Fig．14 Rear cabin air temperature change during cooling

4 結 論

結合數值仿真和物理試驗對汽車乘員艙內溫度場變化規律進行研究，建立乘員艙內的溫度場－流場模型，計算制冷工況下乘員艙內的穩態溫度分布，通過試驗驗證仿真結果，并通過對比空調制冷關閉／開啟2種情況下汽車乘員艙熱環境的動態變化規律，分析太陽輻射、人體散熱和空調系統對乘員艙溫度場穩態分布和動態變化規律的影響．

太陽輻射對乘員艙熱環境的影響在空調系統關閉時較為突出，太陽光照射的時間越長，乘員艙垂直溫差越大，暴曬升溫過程中，頭部和腳部位置的溫差從5℃增加到12℃，會給人體造成強烈的瞬時熱沖擊，引起乘員的熱不舒適感．人體會阻礙空調風的流動，但人體散熱對乘員艙溫度分布的影響可以忽略．

空調系統的出風口位置和送風方向對乘員艙熱環境和乘員體表溫度有決定性的影響．空調出風口全布置在前排儀表板上，對前排的冷卻效果優于后排，能不同程度地降低前、后排垂直溫差，對后排空間的冷卻程度較一致；受到冷卻風直吹的人體部位呈現較低溫度，乘員體表出現明顯溫差；在制冷的初始階段（＜10min），乘員艙內溫度變化劇烈，這段時間內乘員可能因冷卻效果不佳、冷卻時間過長或降溫過快而產生熱不舒適感．

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