褶皺型空調葉片對乘員艙熱舒適性的影響研究

張 亞，張 丹，貝紹軼，李紫娟，童 一，鄭 焱

(江蘇理工學院 汽車與交通工程學院，江蘇 常州 213001)

0 引言

車內熱舒適性與車內的溫度場和空氣流場有關，良好的車內熱舒適性有利于提高駕駛的安全性和乘坐的舒適性［1-2］。因此，對車內熱舒適性的研究十分重要。

現有的對汽車車內熱舒適性的研究已有很多，主要集中在汽車空調出風口的布置位置、空調格柵的布置形式、送風參數、車窗玻璃特性、太陽輻射等分別對車內的溫度場和空氣流場的影響。Shafie 等［3］以客車為研究對象，分析不同送風參數對客車內流場的影響，最終得出使空氣流動最佳的送風參數;Konstantinov 等［4］對高速列車車廂的熱舒適性進行數值模擬計算，對比分析內流場和溫度場得出CFD 方法具有較高的真實性;Moon等［5］研究有無太陽輻射對仿真計算結果的影響，結果表明太陽輻射對車內熱環境有顯著影響;Danca 等［6］研究有無乘員及出風角度對車艙內流場的影響，結果表明乘員的存在對流場有較大影響，艙內空氣最大流速的位置也隨角度而變化;Mao 等［7］通過實驗和數值模擬的方法，得出座椅儲熱和車輛移動對車艙內的熱環境具有一定的影響;Oh 等［8］首次使用數值模擬與實驗相結合方法分析農業拖拉機的艙內熱環境，確定空調出風口布置在儀表板上為最佳出風位置;李四旺等［9］對汽車空調出風口葉片的角度進行研究，得出合理的角度調節位置，提高乘車舒適性;楊志剛等［10］研究了車內不同的送風條件、不均勻熱環境特性對駕駛室熱環境及舒適性的影響;呂鴻斌等［11］從流場和溫度場的角度深入分析乘員熱舒適性，對送風量和送風溫度設置提出系統性意見;賀巖松等［12］通過數值仿真和試驗的方法，研究人體散熱對乘員艙溫度場的影響，得出人體散熱對開啟暖風的艙內溫度場的影響可以忽略。

已有的研究大多著眼于出風口速度、布置位置和布置角度對流場和溫度場的影響，關注出風口葉片形狀影響的研究并不多。近年來，采用褶皺結構的流場被動控制方法被廣泛應用于飛行器翼型和風機葉片優化設計領域［13-14］，大量研究表明褶皺結構具有優秀的氣動特性。張子龍等［15］研究了4 種不同褶皺幅度翼型的氣動性能，得出小幅度的褶皺結構有利于增加升力和減小阻力;New［16］采用水洞實驗對比分析2 種褶皺翼型與NACA0010 翼型的流場結構，實驗發現，褶皺翼型a 的性能與NACA0010 翼型較為接近，流場中均會形成巨大的尾渦，而褶皺翼型b 則可以將尾渦控制在較小的尺寸范圍內。

受褶皺型結構展現的優異氣動性能啟發，將此結構應用于空調送風口的格柵葉片，探究褶皺型葉片對乘員艙熱舒適性的影響。對安裝不同造型的空調葉片的車輛艙內進行數值模擬，通過對比分析車內溫度場、空氣流場等參數的分布特點和變化規律，得出一種效果最優的葉片模型。

1 CFD 模型及計算方法

1.1 物理模型

依據某款轎車，車內駕駛位和副駕駛位各有1人，對照實車，利用CATIA 軟件建立1∶1 的車艙模型。本文分析的是汽車車艙內的熱流場，即前擋風玻璃到后擋風玻璃之間的空間，故除去發動機艙、左右后視鏡、行李箱、車輪等外部部件［17］。同時為減少網格數量、提高網格質量，便于之后的計算，所以簡化去掉一些對車艙內部流場影響較小的部件，如方向盤、扶手箱、安全帶等，主要保留有車窗、前后擋風玻璃和座椅等部件。帶人體的車艙模型如圖1 所示。

圖1 帶人體的車艙模型示意圖

汽車車艙內的空調采用標準的4 個出風口，分布在汽車儀表板上，出風口1 和出風口4 為1 組出風口，形狀、大小相同，尺寸為90 mm×60 mm;出風口2 和出風口3 為另一組出風口，形狀、大小相同，尺寸為120 mm×60 mm。出風口布置如圖2所示。

圖2 出風口布置示意圖

汽車空調葉片設計有普通平板葉片和沿空氣流向褶皺的波浪形葉片，如圖3 所示。b1 型葉片為普通平板葉片，葉片長90 mm，寬20 mm，厚3 mm，b2—b5 為褶皺形葉片，其中2、3、4、5 表示葉片上褶皺的個數，首個波峰厚度3 mm，尾部厚度1.7 mm，具體尺寸如圖3 所示。

圖3 葉片模型示意圖

1.2 網格模型

本文使用網格劃分軟件ICEM 對車艙內計算域進行網格劃分，由于車艙模型內布置有假人模型和葉片模型，結構較為復雜，故選擇四面體非結構化網格劃分方法［18］。網格設置的尺寸決定計算精度的高低，綜合考慮計算機硬件、計算的精度，全局最大尺寸160 mm，在出風口葉片處加密網格，加密網格尺寸0.5 mm，而在曲率較大及平整的地方設定較大的網格，在葉片設置邊界層，邊界層第一層厚度0.1 mm，共5 層，最后生成的車艙內網格模型如圖4 所示。

圖4 網格劃分結果模型示意圖

1.3 湍流模型

任何流體的流動特性都必須滿足3 個流動基本定律，即質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。對于在車艙內部的流動問題，一般可以看作是不可壓縮的流動，滿足質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。方程表達形式如下:

質量守恒方程:

動量守恒方程:

能量守恒方程:

式中:ρ 為流體密度;ui和uj為速度分量;xi和xj為坐標分量;p 為流體單元壓力;τij為流體單元粘性應力分量;Fi為流體單元體力;T 為溫度;k 為熱傳導系數;cp為比熱容;ST為粘性耗散項。

1.4 數值計算方法

在夏季時，太陽輻射強度高，室外的汽車受太陽輻射的影響較大，因此在計算時打開DO 輻射模型加入太陽輻射，采用太陽射線跟蹤模式計算，本文模擬的地點為常州，即東經119.5°，北緯31.5°，時間為6 月21 日，正午13:00。

4 個空調送風口設置為速度入口，出風口1 和4的入口速度大小設置為2.5 m/s，出風口2 和3 的入口速度大小設置為2 m/s，送風的溫度287.15 K，出口設置為壓力出口。

設置車身壁面、車內儀表、車輛頂部、車輛底部為無滑移壁面，因與車艙內存在熱交換和熱對流并考慮熱輻射問題，故上述壁面的熱交換方式都設置為Mixed 方法。車窗玻璃為透光材質，故車窗玻璃是設置為半透明壁面，熱交換方式選擇Mixed 方法。座椅和人體均設為無滑移壁面，座椅熱交換方式選擇Convection，考慮到人體自身散熱問題，選擇Heat Flux 選項。

1.5 網格無關性驗證

在計算過程中，先進行k-ε 兩方程模型穩態計算［19］，獲取定常解，在穩態計算結果的基礎上使用LES 模型進行瞬態數值計算，獲取非定常解。LES 模型的空間離散模式采用二階迎風格式，壓力-速度耦合采用PISO 進行求解。對3 種不同數量的網格進行無關性驗證，經過數值計算后的結果如表1 所示，可以看出875 萬網格與1 061 萬網格的計算結果大致相符，考慮到時間和設備，模型網格均選擇875 萬左右網格數量。

表1 網格無關性驗證結果

2 計算結果與分析

為方便觀測溫度場和空氣流場，在車艙模型中截取4 個截面，分別為:XZ 截面，位于駕駛員頭部中間;XY 截面，位于出風口中間位置;YZ 截面，位于人體中間位置。3 個截面如圖5 所示。為更加直觀的觀察研究車艙內某一點的降溫效果，共選取6 個點作為溫度監測點，分別為:駕駛員面部P1 點，駕駛員耳旁P2、P3 點，駕駛員腹部P4 點，后排P5、P6 點。監測點位置如圖6 所示。

圖5 截面示意圖

圖6 監測點示意圖

2.1 阻力系數分析

表2 為計算得到的各個空調葉片的阻力系數，由表2 可以直觀的看出，褶皺個數對汽車空調葉片的影響較為明顯，阻力系數隨褶皺個數的增加而逐漸減小，b5 型葉片的減阻效果達到了58.25%，這表明褶皺型空調葉片對空氣的阻力更小，便于空氣的流通。

表2 褶皺葉片與平板葉片阻力系數

2.2 穩態數據分析

圖7 為不同類型空調葉片在空調出風口1 位置的局部流線圖，從圖中可以看出，對于所有葉片而言，葉片的上方均形成大小不同的漩渦，最上層的葉片出現大尺度的漩渦，在褶皺型空調葉片的凹槽位置被駐留漩渦填充。褶皺型葉片上的駐留漩渦沿著順時針的方向旋轉，與出風口的送風方向一致，這有利于氣流在葉片上方快速的通過，從而達到減少阻力的作用。

圖7 出風口1 局部流線圖

圖8 為不同類型葉片在空調出風口1 位置的局部湍動能云圖，對比湍動能的分布情況，b1 型普通葉片的高湍動能分布的區域面積均大于褶皺型葉片，隨著褶皺個數的增加，褶皺型葉片的高湍動能區域面積在逐漸減小，b5 型褶皺葉片的高湍動能區域面積最小。這表明b5 型褶皺葉片上側空氣流動波動小于其他類型的葉片，使得b5 型褶皺葉片前后的壓差變小，從而減小了空氣流動阻力，這也印證了上述的阻力系數的大小關系。

圖8 出風口1 局部湍動能云圖

圖9 為5 種不同葉片在XZ 截面下的速度云圖，從圖中可以看出，在不同葉片下的車艙內的空氣流速最高為0.7 m/s，最低為0.05 m/s。對比人體頭部位置的速度云圖，可以發現在空氣流速為0.3～0.5 m/s 的區域面積上，褶皺型空調葉片比普通空調葉片大，并且b2 到b5 型褶皺葉片在該區域上是逐漸增大，這表明b5 型褶皺葉片在人體頭部附近可以有一個更加快速的降溫效果;對比人體軀干和大腿部位附近的速度云圖，可以發現褶皺型空調葉片比普通空調葉片的空氣流速快且區域面積也更大，這說明人體附近空氣進行熱交換的區域變得廣闊，有利于溫度的下降;對比后排座位的速度云圖，整體流場分布情況相差不大，b5型褶皺葉片在流速為0.15 m/s 以上的區域面積明顯大于b1 型普通葉片。

圖9 XZ 截面速度云圖

圖10 為XZ 截面的溫度云圖，b1 型普通葉片的車艙內最低溫度和b2—b5 型褶皺葉片的車艙內最低溫度為298 K，而b1 型普通葉片在298 K的區域面積非常小，顯然褶皺型葉片車艙內溫度均比普通型葉片車艙內溫度低，這表明褶皺型葉片對車艙內降溫有良好的效果。對比車艙內后排區域和人體附近區域的溫度云圖，發現b5 型褶皺葉片在300 K 以下的低溫區域面積明顯大于其他葉片，這說明b5 型褶皺葉片對車艙內的降溫效果最好。

圖10 XZ 截面溫度云圖

結合不同格柵葉片對應的速度云圖和溫度云圖分析，在乘員身體前側區域和后排座椅區域氣體流動速度較大、溫度較低，而前擋風玻璃和乘員腿部區域氣體流動速度較小、溫度較高。這是由于低溫氣流快速運動的區域，在該區域內進行更多的熱交換，帶走更多的熱量，使流速較大的區域降溫較快。

圖11 為基礎葉片b1 和降溫效果最佳的葉片b5 在XZ 截面上的速度流線和溫度云圖。

圖11 XZ 截面流線-溫度云圖

通過比較可以發現，在人體區域和后排座椅區域形成4 個大小不同的漩渦區域，這是由于在座椅和乘員的阻擋下，高速的氣流形成回流。漩渦區域可以有效的將低溫氣流和高溫空氣混合，從而進行充分的熱交換，加速降溫，從溫度云圖上也可以看出，漩渦區域溫度低于其他區域溫度。b5 型葉片在人體區域的漩渦面積明顯大于b1 型葉片，低溫區域面積更大，這表明b5 型葉片降溫效果更優。

2.3 乘員艙內溫度隨時間變化分析

瞬態計算是模擬車艙內的溫度在323.15 K時，打開汽車空調來降溫的過程。圖12 表示的是不同類型的空調葉片模型在6 個監測點的降溫情況。從圖中可以看出，車艙內的6 個監測點的溫度隨著空調的打開而不斷的降低，從160 s 左右開始在某一溫度值上下波動，然后趨向平穩，車艙內的溫度場逐漸到達穩定的狀態。各個監測點到達溫度狀態的時間各不相同，這是由于監測點位置的不同，正對著出風口和距離出風口近的監測點，例如P1 和P5，溫度變化的速率較快，且相對其他監測點的最低溫度也更低。從P1 點的各個葉片的降溫曲線來看，b5 型褶皺葉片的降溫速率最快，在車艙內溫度穩定后的波動也最小，其他幾個監測點也有相同的變化規律，這表明b5 型褶皺葉片降溫的效果最好。

圖12 監測點降溫曲線

圖13 是b1 型普通葉片和b5 型褶皺葉片在YZ 截面溫度云圖。從圖中可以看出，隨著空調的開啟，車艙內的溫度開始逐漸的降低，從圖中可以反應出來的是藍色低溫區域面積越來越大。對比b1 型普通葉片和b5 型褶皺葉片，可以看出b5 型褶皺葉片在40 s 時溫度就有明顯的降低，在120 s時溫度開始趨向于穩定狀態，而b1 型普通葉片在40 s 時溫度仍然較高，在160 s 時車艙內溫度才開始趨向于穩定狀態，對比圖可以表明，b5 型褶皺葉片的降溫速率明顯優于b1 型普通葉片。

圖13 YZ 截面溫度云圖

圖14 是b1 型普通葉片和b5 型褶皺葉片在XY 截面溫度云圖。從圖中可以看出，前部的儀表區域的溫度較高，這是由于太陽輻射以及出風口死角的原因，低溫空氣由4 個出風口吹出，首先接觸駕駛位和副駕駛位人員的手臂部位，手臂區域的降溫速度較快。由于人員和座椅的阻擋，后排座椅區域的降溫速度較慢。對比b1 型普通葉片和b5 型褶皺葉片，可發現與YZ 截面相同的變化規律，b5 型褶皺葉片的降溫速率較快，同時，b5 型褶皺葉片的后排的低溫區域明顯大于b1 型普通葉片，這表明b5 型褶皺葉片的降溫效果更好。

圖14 XY 截面溫度云圖

3 結論

1)褶皺型空調葉片與普通平板葉片相比，在車艙出風口處能夠取得良好的減阻效果，其中波峰數為5 的褶皺型葉片減阻效果最佳，阻力系數降低58.25%。

2)空調葉片的形狀對車艙內的速度場和溫度場有一定的影響，褶皺型空調葉片的降溫效果優于普通平板葉片，其中褶皺數為5 的褶皺型葉片降溫速率最快，車艙內的低溫區域最廣，降溫效果最優。