車輛艙室流動傳熱及溫度場分析

黃強，朱玉琴,2，張云，謝蘭川

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.環境效應與防護重慶重點實驗室，重慶 400039）

人體熱舒適性是乘員最關注的問題之一。某車輛艙室內部空間狹小，外部環境復雜，駕駛艙和乘員艙內熱環境舒適與否對人員的戰斗力及人因可靠性起著決定性的作用。關于駕駛艙及乘員艙的舒適性問題也引起了研究者的關注，文獻[1-3]研究了空調對車艙內流場及溫度場的影響，通過直觀地顯示部件的內部空間和各個橫截面上的流場和溫度場來改善乘員的舒適性[4-5]。因此，為確保車艙溫度場分布均勻，避免出現溫度過高或過低區域，文中利用 CFD方法對某車輛艙室進行仿真計算與分析，以太陽輻射、熱特性參量、送風流速和大氣周圍環境為輸入參數，求得艙內溫度分布以及隨時間變化的情況，從而找出艙內溫度最高的部位和冷卻氣流流速及方向的變化，為改善氣流分布、避免余熱，提高車艙乘坐舒適性提供參考。

1 模型及計算方法

1.1 幾何模型

文中基于 CATIA建立了車艙實體模型，車艙主要由駕駛艙、動力艙、乘員艙構成。建立模型時，由于艙體外壁面對動力艙內空氣流動影響很小，對其進行了適當的簡化與填充，對幾何尺寸很小或對空氣流動和換熱作用影響不強烈的部件也進行了適當的簡化和省略[6]。綜合考慮各部件對車艙溫度的影響，對空間主體及其內部主要部件按照設計尺寸構建三維模型，從而形成空氣流動計算區域。某車輛內艙結構（俯視）如圖1所示，其計算簡化模型如圖2所示。

圖1 某車輛及車艙內部

圖2 計算簡化模型

1.2 計算方法

由于描述能量交換的體系龐雜，特征模型又包含非線性影響因素較多，因此只能運用數值方法獲得模型的解。針對研究對象的溫度分布，考慮到車艙內的空氣流動和傳熱非常復雜，在數值模擬前進行了如下假設：車艙主要發熱源包括發動機艙和車艙頂部，車艙內設備運行穩定；通過空調進入到車艙內的空氣溫度恒定，車艙外部溫度恒定；默認空氣密度不變，在每個工況下為不可壓縮穩態定常流動[7]，空調入風口流速不高，視為不可壓黏性流動，流體流動的控制方程組如下：

連續性方程：

動量守恒方程：

式中：ρ為空氣密度；μi，μj，μk分別為坐標系3個方向的時均速度；xi，xj，xk分別為直角為角坐標的3個系坐標；p為壓力。為了準確模擬車艙的空氣流動，選用標準κ-ε湍流模型[7-8]，模型中湍流黏度包括湍流動能κ和耗散率ε，且都包含對流和擴散項。

2 CFD數值仿真

2.1 網格劃分

數值模擬區域為空氣從空調進風口進入艙內，到出風口離開車艙而流過的所有區域。文中提取車艙的內表面及各部件的外表面組成車內空氣流動域。網格劃分是數值模擬的關鍵步驟，網格質量的好壞也直接影響CFD計算結果的精度。利用ICEM CFD軟件對模型進行網格劃分，為了保證網格質量，網格劃分采用六面體網格，最大網格尺寸取40 mm，對網格進行等尺寸失真等角失真的質量檢查，并通過加密流動復雜區域，使計算更加準確，符合實際情況。網格劃分結果如圖3所示。

2.2 邊界及工況條件

在計算區域的入口處，應用速度入口邊界條件，輸入空氣入口速度為 2 m/s，并且水平進風，輸入進口邊界處的空氣總壓、總溫和湍流參數。在計算區域的出口處，應用質量出口邊界條件。由于發動機艙本身具備散熱條件，高溫往往集中在艙內頂部，對于機艙壁面，應用壁面熱流量邊界條件。對于車框架邊界，由于車頂部受太陽輻射，溫度往往高于其他車框部件，文中應用已知的外部平均溫度作為邊界條件輸入，各壁面的輻射傳熱不計[9-10]。同時，文中采用了太陽輻射模型，太陽輻射的直射強度為 1000 W/m2，散射強度為400 W/m2，方位角為90°，高度角為90°。

實車跑車測試測得的某白天日照條件下溫度隨時間變化的趨勢如圖4所示，可以看出，隨著試驗工況的進行，車艙內溫度變化是一個動態過程，這主要是由于外部溫度、車艙運行狀況、空調入風口溫度等原因造成的。考慮到1 h內變化溫度大約1 ℃，瞬態計算量將十分龐大，采用拉格朗日插值法，對于外部環境溫度每10 min取一個插值點，各壁面的邊界條件采用運行工況下最后溫度平衡時刻的試驗壁溫，對典型工況穩態條件下的車內外能量平衡時刻進行仿真計算。

圖3 網格劃分模型

2.3 車艙溫度場、流場分析

通過對某車輛艙室內部溫度場進行數值模擬，可以比較全面地分析車艙內的溫度場和流場。考慮到車艙溫度場主要受外部環境溫度和發動機艙溫度的影響，一般情況下發動機艙運行時間越長，溫度越高，變化范圍在 60～80 ℃之間，文中以時間為 14：00，環境溫度為35 ℃、車載頂部溫度為80 ℃進行數值模擬和比較分析。

為了方便分析車艙的舒適性能否滿足要求，文中分析了車艙的溫度是否出現過高和過低的區域。圖5為某工況下，z截面為0.3 m，1.5 m，2.4 m，y截面為0.4 m的溫度云圖，圖6為車艙內空氣流線圖。

圖4 溫度與時間的變化關系

圖5 溫度云圖

圖6 進風流線圖

由圖5和圖6可知，通過對該工況下艙室內部溫度場進行數值模擬，可以較全面地分析車艙內部的溫度情況。由上面的流線與溫度分布可看出：駕駛員艙空調出風口的流量較小，并且部分空氣直接流向乘員艙，導致散熱情況不明顯，駕駛艙的平均溫度高于乘員艙2 ℃左右；發動機艙附近溫度偏高，從流線分布可以看出，在空調風扇的作用下，大量空氣經進風口沿該車艙上表面后經過側面、頂端流出回風口，導致駕駛艙的空氣流動不明顯。

圖7為車艙截面y =1.1 m處的溫度分布云圖。該截面位于載員頭部附近，溫度偏高，截面的最高溫度為37 ℃，最低溫度位于空調口，溫度大約為25 ℃。圖8為車艙截面y=0.5 mm處的空氣溫度分布云圖。此截面位于載員的腿部附近，此截面的最高溫度為35.2 ℃，為了便于直觀地表現車艙內部的溫度變化規律，取車艙的12個橫截面處的平均溫度，如圖9所示。圖10為x方向上各截面的平均溫度變化曲線。由曲線可知，駕駛艙的平均溫度高于乘員艙 5 ℃左右，乘員艙入風口位置溫度最低。這是因為駕駛艙出風口流量較小，并且部分空氣直接流向乘員艙，導致散熱情況不明顯，乘員艙在空調風扇的作用下，大量空氣經進風口后沿該車艙上表面后經過側面、頂端流出回風口，過道位置氣流分布略不足。

圖7 截面y=1.1 m溫度分布云圖

圖8 截面y=0.5 m溫度分布云圖

圖9 車艙截面位置

圖10 艙室x向各截面平均溫度變化曲線

3 試驗與結果分析

針對艙室人體熱舒適性的研究途徑分為兩種：數值模擬、試驗研究。文中基于 CFD方法，對艙室在日照高溫環境下進行數值模擬，如圖11所示。計算發現，隨著外界環境溫度和車載運行時間的增加，各艙室位置溫度有階躍，總體為增加趨勢。根據裝備環境測試要求，對車輛艙室進行環境溫度測試。試驗中測取艙室主要位置的溫度點，測量點應分布在每個相應獨立空間的微環境單元中，傳感器必須置于空氣中而不能置于儀器或結構的表面，隨著溫度采集儀的一體化和便攜式，車艙在三種環境工況下進行測量，測量值和計算值對比如圖12所示。

圖11 乘員艙位置溫度隨時間變化曲線

由圖12可知，車艙的仿真計算結果與試驗結果比較吻合，最大誤差約為12%。對比結果表明，仿真計算值一般高于試驗值。主要原因包括：對車艙框架的材料及傳熱性能缺乏具體了解；對車艙各個壁面、內部設備的傳熱及輻射進行了忽略；忽略了乘員人體溫度的影響。由于仿真計算受多種因素的影響，誤差值在可接受范圍之內，仿真模型能為試驗提供參考。

圖12 三種工況下仿真值與試驗值對比

4 結論

文中針對乘員舒適性問題，對某車輛艙室空氣流場及溫度場進行了數值模擬和溫度場分析，并將仿真計算值與試驗值進行了對比，得出了以下結論。

l）建立了某艙室空氣流場與溫度場的CFD計算模型，應用了商業軟件 Fluent進行三維數值求解，CFD的計算值與試驗值對比顯示最大誤差約為12%，基本滿足工程要求。

2）在空調風扇的作用下，氣流能夠較好地帶走熱量，在典型截面分析的基礎上，通過Fluent能清楚地得到艙室溫度分布情況和空氣流動情況，CFD技術能夠較好地反應空氣流動及溫度分布情況，是一種有效、便捷的預測分析手段，為計算和改進溫度場分布提供了技術支持，本文的分析結果可以為車艙溫度場設計、優化提供科學的方法和理論依據。

參考文獻：

[1] 向立平, 王漢青. 空調客車內氣流分布的人體熱舒適性研究[J]. 中南大學學報, 2009, 40(5)∶ 1194-1198.

[2] VIVEK P A, ABDUL N, NAGPURWALA Q H. Numerical Studies on the Effect of Cooling Vent Setting and Solar Radiation on Air Flow and Temperature Distribution in a Passenger Car[R]. SAE, 2009-28-0048, 2009.

[3] HAN T Y, CHEN K H, KHALIGHI B, et al. Asscssment of Various Environmental Thermal Loads on Passenger Thermal Comfort[R]. SAE, 2010-01-120, 2010.

[4] 任承欽, 蔡德宏, 劉敬平. 汽車發動機艙散熱性能實驗及數值研究[J]. 湖南大學學報(自然科學版), 2012,39(4)∶ 38-41.

[5] LIN C H, LELLI M A, HAN T. A Experimental and Computational Study of Cooling in a Simplified GM-10 Passenger Compartment[R]. SAE Paper No.910216,1991.

[6] 江宇, 宋福員, 李彥軍, 等. 船舶機艙通風數值模擬分析[J]. 艦船科學技術, 2012, 34(8)∶ 52-55.

[7] 蘇紅春, 袁春, 潘小兵, 等. 靜音型電源車車載發電機散熱分析及試驗研究[J]. 汽車工程學報, 2014, 4(1)∶61-65.

[8] 王憲成, 索文超, 張更云. 電動裝甲車動力艙內空氣流場模擬及結果改進分析[J]. 兵工學報, 2007, 28(6)∶744-748.

[9] 黃小輝, 畢小平. 計算流體力學在車輛冷卻風道設計中的應用[J]. 兵工學報, 2008, 29(11)∶ 1281-1285.

[10] 王飛. ZL50型裝載機動力艙空氣流動與換熱分析[D].長春∶ 吉林大學, 2010.