泄壓閥對乘客艙通風流量和艙內壓強影響的評估

王夫亮

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201206，中國）

汽車乘客艙內的空氣質量會影響乘員的舒適性甚至安全和健康狀況，空氣質量不佳的艙內環境容易使人疲勞、注意力不集中，影響乘坐感受甚至駕駛安全性[1～5]。

G. Mathur對座艙碳二氧化物的積累與乘員、車速、車輛泄漏、車齡影響、新舊車輛和環境溫度等因素的關系進行了大量的實驗研究[6～11]。J. D. Power公司對中國和全球新車的車內空氣質量進行了展示研究，“令人不快的車內氣味”是第一大消費者投訴[12]。乘客艙良好的通風能力有助于持續從外界獲得新鮮空氣，使乘客艙內保持較高的空氣質量，提高駕乘人員的舒適性。如果乘客艙通風不暢，乘客艙內的空氣就無法及時地與外界進行交換，引起空氣質量下降。此外，通風不暢還會導致艙內壓強升高，引起駕乘人員耳部不適。

乘客艙通過車身上的開口與周圍環境進行空氣交換，這些開口的設計直接影響了乘客艙的空氣質量和通風性能。這些開口包括內飾板/儀表板間隙、前后側門縫、天窗縫隙、行李箱/尾門縫隙和泄壓閥(pressure relief valve，PRV)[13]。由泄壓閥PRV引起的泄漏稱為可控泄漏(controlled leakage)，由其它車身間隙/縫隙引起的泄漏稱為非可控泄漏(uncontrolled leakage)。

為了獲得理想的乘客艙艙內空氣質量以及艙內壓強，需要對乘客艙的泄漏進行合理的設計。產生非可控泄露的開口形狀復雜，縫隙較小，在設計時難以進行準確的控制。產生可控泄漏的泄壓閥大多設計在車身后端行李箱的側壁上，通過乘客艙內外的壓強差控制閥的開閉。當艙內壓強大于外界壓強時，泄壓閥風門在壓強作用下產生一定開度，排出一部分艙內空氣，艙內壓強減小，從而起到調節艙內空氣流量和壓強的作用。

對于流場相關的問題，可以通過流場計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)仿真計算獲得流速、流量和氣流壓強等結果，為系統和零件的設計提供支持和參考。然而乘客艙非可控泄漏難以準確建模，可控泄漏（泄壓閥）風門在氣流壓強作用下處于動態調節過程中，相應的流場仿真計算需進行時間相關的動邊界數值模擬，計算量大，難以快速支持工程設計。

本文利用流場CFD仿真分析和乘客艙通風流量—艙內壓強試驗結果，對非可控泄漏和非可控泄漏的影響進行等效處理，建立了泄壓閥對乘客艙通風流量和艙內壓強影響的評估方法，為泄壓閥設計提供有益參考。

1 分析方法和流程

本文針對某款多用途汽車(multi-purpose vehicles,MPV)，結合該車型乘客艙通風流量—艙內壓強性能試驗獲得的通風流量和乘客艙內壓強數據，對乘客艙內流場進行仿真計算，并對仿真得到的艙內壓強和泄漏面積數據進行擬合，獲得二者之間的變化規律，對非可控泄漏和可控泄漏等效開口面積進行標定和調整，先后建立了準確的非可控泄漏和可控泄漏的等效開口方案，并基于此開口方案，計算了不同流量和開口面積下的艙內流量—壓強變化規律。

該車型乘客艙通風流量—艙內壓強性能試驗在室內環境中進行，試驗過程中車輛處于靜止狀態，試驗過程和結果分為泄壓閥關閉和打開2種工況，見表1。

表1 乘客艙通風流量-艙內壓強試驗結果

基于此通風流量和艙內壓強試驗結果和乘客艙內流場仿真分析，建立了如下可控泄漏和非可控泄漏等效方案標定分析流程。首先設定乘客艙通風流量81 L·s-1，關閉泄壓閥，用側門縫開口等效非可控泄漏作用，將艙內壓強仿真計算結果和試驗結果進行比較，如果計算表壓強高于125 Pa，增加非可控泄漏等效開口面積，如果計算表壓強小于125 Pa，則減小非可控泄漏的等效開口面積。

當完成3個方案的計算后，對艙內壓強和開口面積計算結果進行二次多項式擬合，根據擬合得到的二次多項式計算125 Pa對應的等效開口面積，然后根據面積計算結果來調整等效開口的大小，繼續對乘客艙內流場進行計算。根據計算結果來更新擬合方程，根據新的擬合方程來計算非可控泄漏等效開口面積。

可控泄漏等效開口面積確定之后，利用同樣的方法確定等效的泄壓閥（可控泄漏）開口面積。非可控泄漏和可控泄漏的等效開口面積方案的確定過程總結如圖1所示。獲得等效可控泄漏和非可控泄漏開口面積之后，計算不同流量和開口面積條件下的乘客艙內流量—壓強變化規律，為開發前期泄壓閥設計和相應設計方案的艙內壓強評估提供參考。

2 乘客艙模型

乘客艙內流場計算域如圖2所示。艙內空間x向長度為4 m，y向寬度為1.72 m，z向高度為1.34 m，艙內空間體積為4.58 m3。前儀表板上的4個空調出風口作為計算域入口，仿真計算邊界條件設置為速度入口，若令乘客艙通風體積流量為，空調出風口面積為A；則空調出風口速度為

非可控泄漏等效開口和可控泄漏開口（泄壓閥）位置和形狀如圖3所示。非可控泄漏等效開口位于左右滑移門的門縫位置。通過多次擬合泄壓閥關閉和打開情況下的艙內壓強和泄漏面積對應關系曲線，逐步確定準確的非可控泄漏和可控泄漏開口面積大小。

試驗過程中乘客艙內壓強測點位于主駕頭部位置，仿真計算的壓強監控和輸出點的位置與之相一致，取主駕頭部位置正方體8個頂點壓強的平均值作為乘客艙內的壓強值，如圖4所示。

3 數值方法與計算設置

計算網格如圖5所示。計算域總網格數為1 400萬。計算選用基于壓強修正的SIMPLE算法，湍流模型為Realizable 模型，近壁區流場采用非平衡壁面函數進行處理，壓強離散格式為Standard，動量、湍流動能和湍流耗散率離散格式為二階迎風格式。張量指標形式表示的流場控制方程如式(1)—(3)所示，即為時均連續方程、Reynolds方程和標量的時均輸運方程[14]。

式中： ρ為空氣密度， t為時間，u為速度，u'為脈動速度，p為壓強， s為源項，下標i和j指標取值范圍為（1、2、3）。流場仿真計算邊界條件如下表2所示。

表2 乘客艙內流場數值模擬邊界條件設置

4 仿真結果與分析

4.1 非可控泄漏等效開口面積標定

圖6所示為泄壓閥關閉時，流線顯示的乘客艙內的流動狀態。氣流從4個空調出風口流出，主要從乘客艙上部流向后方，大部分氣流在第3排座椅的阻礙下，流動方向折返向前方，經由門縫等效開口流出乘客艙，少部分氣流越過第3排座椅流向行李廂內。

圖7為艙內乘客腰部位置水平面和縱向對稱平面內的氣流速度矢量分布。在座椅的阻礙作用下，氣流在座椅前方形成回流，然后經由座椅中間的位置流向乘客艙空間后方，行李廂內氣流速度較小。

確定非可控泄漏等效開口面積時，計算多組艙內壓強和非可控泄漏開口面積數據，擬合得到開口面積(y = A/cm2)與艙內壓強(x = p/Pa)之間的關系方程為：y = 0.003 7 x2-1.287 9 x+193.889 1，如圖8所示。由圖8可以看出：非可控泄漏等效開口面積與艙內壓強之間的變化規律呈二次多項式的變化關系。

4.2 可控泄漏等效開口面積標定

圖9所示為泄壓閥打開時，氣流速度矢量顯示的乘客艙內的流動過程，氣流從空調出風口向后流過兩排座椅，一部分在第3排座椅阻礙下折返向前，從下方回流到乘客艙前部，大部分氣流越過第3排座椅，在行李廂內從主駕側的泄壓閥流出乘客艙。氣流的主要途徑流經艙內乘員的頭部位置，能夠起到較好的空氣流通作用，保持乘客艙內空氣質量。

圖10為氣流穩定后乘客腰部、胸口、頸部和頭部位置水平面內的速度分布，可以看出艙內乘客周圍氣流流動性較好，有利于較好地保持艙內空氣的新鮮程度。

確定可控泄漏等效開口面積過程與前文所述類似。初步試算3個PRV開口的艙內壓強值，擬合開口面積與艙內壓強之間的變化關系方程，根據方程計算125 Pa對應的開口面積，然后利用這個開口面積進行艙內流場仿真計算，根據計算結果確認艙內壓強值，最終獲得125 Pa對應的PRV開口面積為118.42 cm2。PRV開口面積(y= A/mm2) 與艙內壓強(x=p/Pa) 的擬合方程為： y = 0.011 1 x2- 3.788 7 x + 418.70，也呈二次多項式的變化關系，如圖11所示。

4.3 艙內壓強與通風流量的變化

乘客艙內的空氣壓強影響乘客舒適性，較高的耳內壓強容易引起不適感而產生抱怨，乘客艙通風也需要足夠流量的流動空氣，保持艙內空氣質量。因此在進行泄壓閥設計時，需要考慮其與通風流量和艙內壓強的相互關系。根據確定下來的非可控泄漏和可控泄漏等效開口方案，計算了多個通風流量(x = q/(L·s-1))下的乘客艙內壓強(y = p/Pa)值，擬合二者之間的變化關系方程為： y = 0.004 9 x2- 0.019 9 x + 0.592 4。可見對于確定的可控泄漏和非可控泄漏設計方案，乘客艙內壓強隨通風流量的增加而以二次多項式的規律增大，可以參考這一規律進行空調系統通風流量和艙內壓強的設計。

圖12所示分別為乘客艙內平均壓強為87 Pa時，乘客胸口位置水平面和副駕座椅中間位置豎直平面的壓強分布圖。從圖中可以看出艙內前方位置壓強高于后方，這是由于艙內前方位置氣流速度高于后方，較高的氣流速度形成較低的壓強分布。乘客艙內壓強分布較為均勻，最大和最小壓強的差值小于1 Pa，表明艙內空氣流動狀況較為理想，沒有形成局部的較高壓強，泄壓閥的設計位置和開口面積較為合理。

5 結 論

本文針對乘客艙內通風和空氣壓強設計時，難以直接確定非可控泄漏和可控泄漏的難題，根據艙內通風流量-艙內壓強試驗數據，建立了準確的可控泄漏和非可控泄漏等效方案和評估流程，研究了乘客艙通風流量、艙內壓強和可控泄漏開口面積的相互變化規律，并對艙內通風時的氣流流動狀態和途徑的動態過程進行了分析，主要結論如下：

1） 結合乘客艙內通風流量-艙內壓強性試驗數據和乘客艙內流場CFD仿真，可以獲得準確的可控泄漏和非可控泄漏開口等效方案；

2） 泄漏開口面積和乘客艙壓強、乘客艙壓強和通風流量之間按照二次多項式規律變化；

3) 根據等效開口方案和艙內流場CFD計算結果，能夠對艙內通風狀況和氣流途徑進行詳細的分析和評估，為泄壓閥設計和乘客艙舒適性分析提供有益參考。