乘員艙駕駛員位置微環境及人體熱舒適分析

楊志剛，徐 鑫，趙蘭萍，鄭振鵬，林趙敏

（1. 同濟大學上海市地面交通工具空氣動力與熱環境模擬重點實驗室，上海201804；2. 同濟大學機械與能源工程學院，上海201804；3. 北京民用飛機技術研究中心，北京102211）

汽車乘員艙內部空間狹小且外部環境復雜多變，車內熱環境受到空調送風以及外界環境的影響，使得駕乘人員的熱感覺和熱舒適性發生改變。Roy［1］采用數值仿真的方法對乘員艙內不同傳熱方式及不同車體壁面對人體熱舒適的影響進行了分析。Hodder 等［2］從強度、光譜分布以及玻璃種類三方面研究了太陽輻射對乘員艙內人體熱感覺及熱舒適的影響，結果表明光譜分布的不同對人體熱感覺并沒有直接的作用，而太陽輻射強度每增大200 W·m-2，熱感覺增大1。倪冬香［3］使用SC/Tetra 將乘員艙內的熱環境與人體熱調節模型進行迭代計算，考慮了兩者的相互作用，而不是僅僅被動地將人體作為一個熱邊界條件。申紅麗［4］以某款空調汽車乘員艙內部熱環境為研究對象，分析計算了該車型所需空調制冷功率的大小。通過C語言編寫了可視化預測平均投票數-不滿意者的百分數（predicted mean vote-predicted percentage of dissatisfied，PMV-PPD）的UDF（用戶定義函數）程序，并與FLUENT 軟件相結合得到了車室內部的熱舒適指標分布規律。黃木生［5］考慮了窗框、門支柱等金屬面直接延伸到乘員艙內部所產生的穿透熱橋影響，對車身壁面熱傳遞進行了機理性的研究。提出了ACS-DR（自適應舒適標準-氣流不舒適感）準則，其較PMV-PPD 準則更適用于高度非均勻瞬態的溫度場。Myoung［6］等研究了局部空調系統的量化節能效果，通過調節前、頂送風比例、送風溫度、送風速度等從不同角度分析了車廂內的熱舒適性。張炳力等［7］對某款轎車車內三維流場和熱環境進行了數值仿真，得到了速度場、溫度場和PMV與PPD的分布，并對乘員艙內空氣齡的分布進行計算。Moon 等［8］對比分析了多波段及單波譜的輻射模型下PMV-PPD與等效溫度兩種熱舒適評價指標，研究表明考慮多波段太陽輻射的影響，駕乘人員附近的溫度上升1℃～2℃，等效溫度能夠預測乘員艙內熱舒適水平的局部變化。Danca 等［9］對乘員艙內各位置測量了溫度、速度，計算出PMV-PPD熱舒適評價指標。通過校準實驗對數值模擬的結果進行了驗證，但沒有考慮人在乘員艙中與熱環境的相互作用。

目前乘員熱舒適性評價通常借用從均勻建筑熱環境中發展起來的PMV-PPD評價法。而汽車乘員艙內熱環境本質上呈現高度不均勻狀態，PMV-PPD評價指標無法對乘員熱舒適性作出客觀評價。加州大學伯克利分校的Zhang［10］通過控制環境室內的109次非均勻和瞬態條件下人體實驗，建立了人體局部熱感覺、局部熱舒適、整體熱感覺與整體熱舒適模型伯克利熱舒適性評價模型，但目前該模型在夏季不同環境條件（特別是太陽輻射）及車內送風參數下乘員艙熱舒適性評價中的應用還比較少。另一方面，人體與不均勻熱環境之間的熱量交換是通過皮膚周圍的微環境進行的，但目前熱舒適性研究中較少定量關注此微環境。

本文采用實驗與數值模擬相結合的方法，分析不同送風參數及環境條件下駕駛員位置的人體熱感覺與熱舒適性，包括局部熱感覺、局部熱舒適性、整體熱感覺及整體熱舒適性，同時關注人體周圍的微環境參數。

1 計算流體力學數值計算

1.1 網格劃分及模型

針對實驗用車進行3D掃描，將車身及乘員艙內的位置信息輸入CATIA 軟件中進行逆向建模（圖1）。由于本文只考慮乘員艙內部的氣流組織分布及乘員熱舒適性，故對輪胎及底盤等進行了簡化處理。乘員艙內部保留了方向盤、座椅以及中控臺，盡可能地還原乘員艙內部的幾何信息，使得后續計算流體力學（CFD）仿真得到的熱-流場更加接近真實情況。

圖1 整車車身幾何模型Fig.1 Geometric model of the whole vehicle body

幾何清理以及面網格的生成是通過Hypermesh軟件完成的。在原始幾何模型的基礎上，刪去了發動機艙、后備箱以及車身外部細節等對乘員艙內部熱-流場影響較小的部分，添加駕駛員模型至乘員艙模型中。將Hypermesh 中生成的面網格導入STAR-CCM+中生成體網格，網格類型選用Trimmer 網格加邊界層網格，乘員艙體網格總數為351萬，如圖2所示。

圖2 乘員艙體網格模型Fig.2 Mesh model of passenger compartment

車內氣體流動屬于受限低速流動，采用Boussinesq模型，湍流模型選用Realizable k-ε湍流模型，輻射模型采用S2S 輻射模型。人體熱調節模型選用Stolwijk提出的人類生理溫度調節模型，該模型將人體分為頭、軀干、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左腳、右腳共14 個節段，每個節段分為核心層、肌肉層、脂肪層及皮膚層。

1.2 邊界條件設置

邊界條件按照實驗所測進行設置，4個送風口設置為質量流量入口，質量流量分別為：0.09、0.04、0.04、0.08 kg·s-1；送風溫度為：19 ℃、15 ℃、14 ℃、15℃，出風口為壓力出口。壁面邊界的熱交換考慮熱傳導、對流以及輻射熱傳遞，壁面熱物性參數見表1。太陽輻射強度為1 000 W·m-2，其中直射輻射為800 W·m-2，散射輻射為200 W·m-2。實驗時間在中午12 時附近，太陽高度角設為90°，環境溫度為33.8 ℃。

表1 各壁面邊界參數Tab.1 Boundary parameters of each wall

1.3 人體熱舒適性評價模型

人體熱舒適性評價模型采用伯克利的熱舒適性評價模型［10］，局部熱感覺回歸公式如下：

式中：Sl為局部熱感覺；Tsl為局部皮膚表面溫度，℃；Tsls為設定的局部皮膚表面溫度，℃；Tsa為平均皮膚溫度，℃；Tsas為設定的平均溫度，℃；Tc為核心溫度，℃；C1、K1、C2i、C3i為常數回歸系數；t為時間，s。

式（2）為局部熱舒適的回歸公式。

式中：|So|為整體熱感覺的絕對值；C3、C6、C7、C8、n 為常數回歸系數，且整體熱感覺正負不同時，C3和C7的數值不同；

式（3）為整體熱感覺的回歸公式。

式中：Wi為各部位的影響權重。

Berkeley 的整體熱舒適與局部熱不舒適相關，而不是局部熱舒適。整體熱舒適受身體最不舒適部位的影響較大。規則一是整體熱舒適為2個最小局部熱舒適的平均值；規則二是當第二小熱舒適值大于-2.5 且試驗者可以控制熱環境或者熱環境是瞬態時，整體熱舒適為2 個最小局部熱舒適與最大熱舒適的平均值。

2 結果與分析

2.1 CFD數值計算與實驗結果對比

圖3為實驗現場照片。將乘員艙內熱環境與人體熱舒適性評價實驗的結果與仿真結果進行對比。各測點的實驗、仿真溫度以及溫度差值見表2。可以看出實驗與仿真結果二者基本吻合，腳部空氣溫度誤差為2℃，右下臂、右手以及左小腿的溫度誤差為2.5℃。這些部位的仿真溫度均高于實驗結果，原因是實驗時受試者會主動去躲避較大的熱刺激，使得身體處于一個較為舒適的狀態。

圖3 實驗現場照片Fig.3 Pictures of the experiment site

表2 實驗與仿真結果溫度對比Tab.2 Temperature comparison of experiment and simulation results

2.2 乘員艙內駕駛員位置微環境及人體熱舒適性

人體在低溫氣流作用下，皮膚通過周圍的微環境進行熱量的交換，本文根據溫度邊界層的概念確定人體周圍的微環境。由CFD 計算結果，在人體各部位作垂直于表面的線，從皮膚位置往外空氣溫度逐漸減低，直到與外圍空氣溫度接近的點，該點與皮膚表面的距離即為該處的邊界層厚度。本文進行數據處理時，分別在人體各部位作三條垂直線，根據三條線上的溫度邊界層厚度確定該人體部位對應的微環境。數據分析發現，人體各部位的邊界層厚度略有不同，但各處邊界層厚度均在1 cm左右。圖4a 為人體的幾何圖，圖4b 則為人體周圍所對應的微環境圖。汽車乘員艙內空間狹小，使得其熱-流場在空調送風以及外界熱環境影響下速度梯度、溫度梯度遠大于建筑內熱環境，人體身處在這種不均勻、不對稱且梯度較大的熱-流場中與周圍熱環境進行著熱交換將直接影響著人體熱舒適性。這種情況下，人體所處的熱-流場并不能像均勻場中一樣，用平均值或者某一點的值來代替身體各部位接觸熱環境的速度、溫度以及平均輻射溫度，所以采用圖4所示的人體微環境的平均值來分析乘員艙內駕駛員位置的各部位熱-流場分布以及人與微環境之間的相互作用。設定微環境距離人體皮膚表面1 cm，對應人體熱調節模型的14 個節段，微環境在人體各部位熱邊界層外也同樣有14個區域，認為對應區域空氣的平均性質與人體各部位進行熱交換的空氣性質相同，即對應區域上的面平均速度、平均溫度為與該部位進行熱交換的空氣速度、溫度。

圖4 人體微環境示意圖Fig.4 Schematic of human microenvironment

采用表3 所示的11 個工況來分析不同送風溫度、送風速度、太陽輻射強度、太陽高度角、環境溫度等5個因素對微環境及人體熱舒適性的影響。

2.2.1 送風溫度的影響

工況1、2、3 的送風溫度分別為13 ℃、10 ℃、16 ℃，送風速度均為5 m·s-1。從圖5 可以看出，送風溫度對駕駛員位置人體各節段周圍速度幾乎沒有影響，但人體對稱部位所處的微環境平均速度與溫度并不相同，其中左手與右手位置平均速度相差約0.17 m·s-1，而下半身由于送風模式采用吹面模式，各部位周圍速度差較小。對比不同送風溫度下各部位微環境平均溫度發現，與送風溫度對乘員艙內整體熱-流場的影響相同，各部位平均溫度隨著送風溫度的升高而增大。受平均速度的影響，左手微環境的平均溫度較低；而大腿部位由于太陽輻射以及較弱的送風影響，該部位微環境平均溫度則較高。可見送風溫度只會影響各部位微環境的空氣平均溫度，而對微環境的平均速度影響較小。不同送風溫度下，人體各部位熱感覺和熱舒適主要受對應微熱環境溫度的影響。

表3 乘員艙內熱-流場分析工況Tab.3 Model computing conditions

圖6為不同送風溫度下各部位局部及整體熱感覺與熱舒適指標的對比。從圖中可以看出頭部熱感覺在各送風溫度工況下均為負值，隨著送風溫度的上升，左上臂與左手的熱感覺由偏冷轉變成偏熱，其他部位的熱感覺均為正值。頭部偏冷時熱舒適處于較為舒適的狀態，而腳部偏熱時處于較為舒適的狀態，這說明人體熱舒適喜好頭部偏冷而腳部偏熱。工況1 局部熱舒適最差的部位為右手與右大腿；工況2 局部熱舒適最差的部位為左下臂與右大腿；工況3 局部熱舒適最差的部位為右手與右小腿。可以看出這三個工況下，熱舒適較差的部位為右手與右腿，這是因為駕駛員位置的右手與右腿區域受到的太陽輻射強度要大于另一側，另外送風口1 出風對身體左半部分的影響要大于送風口2 對身體右半部分的影響。隨著送風溫度的升高，整體熱感覺從1.1 上升至1.66，說明駕駛員感覺到更熱；而整體熱舒適從-0.97 變為-1.46，人體變得更不舒適。夏季在整體熱感覺偏熱的情況下，人更加喜好較低的送風溫度，能夠降低熱感覺，改善熱舒適。

圖5 不同送風溫度下各部位微環境平均速度、溫度Fig.5 Average velocity and temperature of microenvironment at different air supply temperatures

圖6 不同送風溫度下局部及整體熱感覺與熱舒適Fig.6 Local and overall thermal sensation and thermal comfort at different air supply temperatures

2.2.2 送風速度的影響

圖7 為送風速度分別為5、3、7 m·s-1，送風溫度為13℃時，乘員艙內整體速度場與溫度場均受空調送風速度的影響。從圖7 可以看出各部位微環境的平均速度與送風速度呈正相關，而平均溫度與送風速度呈負相關，但各部位微環境的平均速度并沒有隨著送風速度的增大而均勻增大。觀察圖7a 發現工況1 與工況4 下頭部和軀干微環境的平均速度相差不大，而工況5 下該區域的平均速度明顯增大，說明送風速度較小時，并不能對頭部以及軀干的微環境平均速度造成影響，這也表明乘員艙內的平均速度與各部位所處微環境有差別。而人體各部位微環境的平均溫度隨著空調送風速度的增大而降低，送風速度的增大使得人體微環境平均速度增大，平均溫度降低可影響其熱感覺與熱舒適。

圖7 不同送風速度下各部位微環境平均速度、溫度Fig.7 Average velocity and temperature of microenvironment at different air supply velocities

從圖8 可以看出，將工況4 與工況5 下的人體各部位局部熱感覺與熱舒適與工況1 進行對比，發現頭部區域的熱感覺均為負值，隨著送風速度的增大，軀干、左上臂、右上臂以及左手的熱感覺從偏熱轉為了偏冷，這些部位受到空調送風的影響較大，其中左手部位的熱舒適在空調送風的作用下變化較為明顯。工況4 局部熱舒適最差的部位為右手與右小腿；工況5 局部熱舒適最差的部位為右大腿與頭部。通過對比工況4、1、5 下的右手局部熱舒適，其數值為-1.986、-1.337、-0.243 3，表明雖然送風對右手影響較弱，但風速的提高能夠改善右手的局部熱舒適，其對整體熱舒適的提升有一定的作用。而腿部區域受送風影響較弱且受到太陽輻射的作用，使右腿成為熱舒適較差的部位。頭部區域由于增大的風速，使其皮膚表面溫度降低，另外較大的吹面風速給人帶來不舒適的吹風感使得熱舒適變差。整體熱感覺隨著送風速度的增大從1.88 降至0.47，整體熱舒適從-1.76變為-0.7，風速增大使得熱舒適較為改善，表明在整體偏熱的情況下，人體更傾向于較大的風速，使其感受到更為舒適。

圖8 不同送風速度下局部及整體熱感覺與熱舒適Fig.8 Local and overall thermal sensation and thermal comfort at different air supply velocities

2.2.3 太陽輻射強度的影響

圖9 中，工況1、6、7 的太陽輻射強度分別為800、600、1 000 W·m-2，太陽輻射強度為外界環境條件中最為影響微環境平均溫度的因素。

圖9 不同太陽輻射強度下各部位微環境平均速度、溫度Fig.9 Average velocity and temperature of microenvironment at different solar radiation intensities

從圖10可以看出，不同太陽輻射強度下熱感覺與熱舒適變化最大為左手，局部熱感覺從-0.546 6增長為1.688，而熱舒適從2.169 降低至-1.085。工況6 局部熱舒適最差的部位為右大腿與右小腿；工況7局部熱舒適最差的部位為右手與右小腿。可以看出當太陽輻射強大變大時，手部的局部熱舒適由較為舒適轉變成最不舒適，其局部熱舒適變化要遠大于其他部位，這也說明其受到太陽輻射的影響較大。太陽輻射強度的增大使整體熱感覺從0.92增大至1.79，而整體熱舒適由-0.8 降低為-1.67，太陽輻射強度的增長會使得乘員艙內人體各部位的輻射及蒸發散熱量增加，對局部熱感覺與熱舒適的影響較為明顯。

2.2.4 太陽高度角的影響

圖10 不同太陽輻射強度下局部及整體熱感覺與熱舒適Fig.10 Local and overall thermal sensation and thermal comfort at different solar radiation intensities

從圖11 中工況1、8、9 的太陽高度角分別為60°、40°、80°，可以看出太陽高度角的不同使得太陽輻射透過擋風玻璃作用在人體不同的部位之上，太陽輻射作用的部位平均輻射溫度較高。當太陽高度角為40°時，入射角度較低，太陽輻射作用在人體軀干較高位置以及上臂處；當太陽高度角增大至80°時，入射角較大，太陽輻射作用位置偏低為大腿、小腿以及手部區域。

圖11 不同太陽高度角下各部位微環境平均速度、溫度Fig.11 Average velocity and temperature of microenvironment at different solar height angles

通過圖12 不同太陽高度角下人體各部位的局部熱感覺與熱舒適圖可以觀察到，受到太陽輻射作用的部位皮膚溫度升高后局部熱感覺與熱舒適的變化。當太陽高度角為40°時，受到太陽輻射作用的軀干及上臂的皮膚溫度要大于太陽高度角80°的情況，這使得太陽高度角為40°時該部位的熱感覺要大于80°時的，熱舒適則變小。而當太陽高度角為60°時，受太陽輻射的作用使得左右大腿的熱感覺增大，熱舒適值降低。不同太陽高度角下整體熱感覺與熱舒適方面，工況1 即太陽高度角為60°時人體的整體熱感覺最熱，但整體熱舒適最差的為太陽高度角為80°的工況9。造成這個現象的原因是太陽高度角為80°時，駕駛員小腿位置受到較強的太陽輻射，且該部位較其他高度角時太陽輻射直射部位更易感到不舒適。

2.2.5 環境溫度的影響

圖13，圖14 中中工況1、10、11 的環境溫度分別為35 ℃、32 ℃、38 ℃。通過觀察可以發現，環境溫度升高對人體各部位微環境的影響并不明顯。造成這一現象的原因是環境溫度的變化僅能影響壁面及近壁面區的空氣的溫度，而人體所在的區域熱-流場主要受空調送風的影響，且壁面及近壁面區空氣的溫度對人體熱舒適影響較小。整體熱感覺隨著環境溫度的升高而變熱，熱舒適反之，但變化幅度較小。

3 結論

（1）乘員艙內駕駛員位置左右對稱部位所處的微環境并不相同，其中左右手處微環境的平均速度和溫度差值最大。由于車內送風模式采用吹面模式，上身區域左右對稱部位微環境的差距要大于下腿部區域。除送風速度外，其他影響因素對微環境平均速度影響較小。而平均溫度方面，每增大3 ℃的送風溫度，微環境的平均溫度上升1.8 ℃；每增大200 W·m-2的太陽輻射強度，微環境的平均溫度上升1.2 ℃；外界環境每上升3 ℃使得微環境的平均溫度升高0.38 ℃。

（2）空調送風溫度從10 ℃升至16 ℃，人體整體熱感覺則從1.1 升至1.66，整體熱舒適從-0.97 降為-1.46；送風速度從3 m·s-1增大至7 m·s-1，人體整體熱感覺由1.88 降至0.47，整體熱舒適從-1.76 變為-0.7。說明夏季在整體熱感覺偏熱的情況下，人更加喜好較低的送風溫度與較高的送風速度，能夠使乘員艙內的駕乘人員感到更舒適。

圖14 不同環境溫度下局部及整體熱感覺與熱舒適Fig.14 Local and overall thermal sensation and thermal comfort at different environmental temperatures

（3）太陽輻射強度是外界環境條件中最為影響乘員艙內人體熱舒適的因素，受到太陽輻射的作用使得人體各部位皮膚表面溫度升高，太陽輻射強度從600 W·m-2增長至1 000 W·m-2使得人體整體熱感覺從0.92 增大至1.79，而整體熱舒適由-0.8 降低為-1.67，整體熱感覺變熱，熱舒適變差；太陽高度角的變化會使得太陽輻射作用在不同的部位上，對整體熱感覺與熱舒適并沒有呈現線性的作用；而環境溫度對人體熱感覺與熱舒適的影響較小。