基于多目標遺傳算法的特種車艙室送風系統優化設計

王鶴翔， 毛曉東， 龐麗萍,2， 馮曉晗

(1.沈陽航空航天大學 航空發動機學院， 遼寧 沈陽 110136；2.北京航空航天大學 航空科學與工程學院， 北京 100191)

0 引言

艙室送風系統布局設計是車輛設計的重要部分，是決定乘員、載員熱舒適性的關鍵性因素之一。特種車不同于正常車輛，其用途特殊，且艙室內乘員、載員較為密集，故送風系統布局設計顯得尤為重要[1-2]。

近年來，針對飛行器、艦船和車輛的艙室送風系統研究受到了越來越廣泛的關注。Liu等[3]分析大型民機在不同氣候條件下的幾種送風方式，最終確定了一種理想的單通道熱環境。Maier等[4]設計一種基于艙室天花板的客艙送風系統，并對乘、載員熱舒適性進行了分析。Lee等[5]研究了相同雷諾數下不同送風方式對汽車內部溫度場變化的影響。Pala等[6]研究了客車內部送風系統對于車內人員熱舒適性的影響。Chang等[7]提出一種針對地鐵客艙的新型混合通風方式。Liu等[8]建立全尺寸三層床實驗模型，對潛水艇艙室流場進行了優化。目前國內外研究普遍針對建筑、船舶、民用汽車和飛行器等艙室送風系統進行研究[9-15]，而針對特種車輛如軍用特種車的研究很少[16]。

為解決某型特種車艙室送風系統的布局及優化設計，本文建立其艙室簡化三維模型，選取4種評估函數作為人體熱舒適性及送風系統性能的評判標準，結合計算流體動力學(CFD)方法和多目標遺傳算法，對其開展仿真優化設計研究。

1 模型建立

1.1 三維模型

為了對特種車在不同送風形式下的艙內氣流組織進行仿真計算及分析，對特種車幾何模型進行簡化處理，刪除艙室外部所有細節部件，如發動機、腳踏板等部分。對艙室內部也進行相應簡化，去掉方向盤、按鈕、燈等細節零件，保留座椅、儀表臺等主要部件，但僅保留其外形特征。簡化后艙室長4 140 mm、寬2 028 mm、高1 430 mm。采用盒式人體模型，人體尺寸參數根據國家標準GB 10000—88中國成年人人體尺寸50%百分位確定。艙室10人位布局，前艙室兩排5人位，座向向前排座。后艙室5人位，沿左右側壁相對而坐，人椅布局及簡化后三維模型如圖1所示。圖1中同時定義了6個截面，用于后文仿真結果展示。對每位乘、載員設置頭部、腹部、左右腳部4個測點，測量乘、載員周圍流場參數，作為后文評估函數的計算依據。各測點距離乘、載員表面5 mm，其具體位置如圖2所示。

圖1 特種車艙室三維模型及截面示意圖Fig.1 3D model and cross-sectional diagram of the cabin

圖2 乘、載員測點位置圖Fig.2 Position of the crew’s measuring points

1.2 網格劃分

對特種車艙室三維模型進行網格劃分，采用切割體網格，網格基礎尺寸50 mm，邊界層網格6層，增長比1.2。為更加準確地計算風口周圍流場并測量人體周圍參數，對送風口、回風口以及乘、載員人體表面周圍網格進行局部加密處理。通過網格無關性驗證，最終確定網格總數500萬左右，各截面網格示意如圖3所示。

圖3 截面網格示意圖Fig.3 Section mesh diagram

1.3 數值計算方法

為提高計算的精度，離散格式采用2階迎風差分格式。由于艙室空間狹窄，流場流動較為復雜，為保證湍流模擬的準確性，采用Realizablek-ε湍流模型，k為湍動能，ε為湍動能耗散率。采用SIMPLE算法進行流場計算，其利用計算網格把流動區域分為離散的控制體，在每個控制體上建立溫度、速度、壓力等離散變量的控制方程，把離散的線性方程組線性化來進行求解，保證了計算的精度。

1.4 人體及環境邊界條件

人體散熱與年齡、性別、溫度、衣著及工作強度等因素有關，由于人體本身對周邊環境的變化具有自我調節的能力，這一過程非常復雜，因此對人體散熱量選取作相應簡化，假設其為定值。根據國家軍用標準GJB 3991—2000裝甲車輛內溫度限值中對人體散熱量的定義，乘、載員在艙內為坐姿且從事低強度勞動，確定人體代謝率為65 W/m2，夏季服裝熱阻1.0 clo。送風口總送風量800 kg/h，送風溫度 18 ℃，送風速度1.5 m/s。儀表臺發熱功率參考筆記本電腦確定為200 W。

2 評估函數

本文選取4個函數評估人體熱舒適性，從而衡量送風系統優劣，分別為：人體熱舒適性指標——預計平均熱感度(PMV)、加權溫度、空氣齡和頭足溫差。

2.1 人體熱舒適性指標PMV

Fanger[17]基于人體熱平衡理論，結合大量的人工氣候實驗建立了著名的PMV熱舒適預測評價模型。人體熱舒適性指標PMV模型將4個環境因素(空氣溫度、濕度、風速、平均輻射溫度)和兩個人體因素(服裝熱阻、新陳代謝率)綜合成一個指標，計算公式如下：

PMV=[0.303exp (-0.036M)+0.027 5]{(M-W)- 3.05×10-3×[5 733-6.99(M-W)-pa]- 0.42×[(M-W)-58.15]-1.7×10-5M×

(5 867-pa)-0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl× [(tcl+273)4-(tr+273)4]-fclhc(tcl-ta)}

(1)

式中：M為人體代謝率(W/m2)；W為人體對外作功(W/m2)；pa為周圍空氣中水蒸氣分壓(Pa)；ta為人體周圍空氣溫度(℃)；fcl為人體服裝面積系數；tcl為服裝外表面溫度(℃)；tr為周圍環境平均輻射溫度(℃)；hc為對流換熱系數(W/(m2·K))。

計算過程中取4個測點PMV的平均值。PMV值為0表示理想的熱舒適狀態，通常PMV值在-1.0 和1.0之間就可以認定滿足舒適性要求[18]。

2.2 加權溫度

加權溫度定義為標定作業區域中心位置空氣溫度的加權值，加權公式為

(2)

式中：i表示第i個乘、載員；Tdb為作業區中心位置平均溫度；TA為作業區人員頭部位置溫度測量值；TB為作業區人員腹部位置溫度測量值；TC為作業區人員腳部位置溫度測量值，取左右腳平均值。

2.3 空氣齡

空氣齡的概念由Sandberg[19]提出，指空氣從入口進入室內到排出的時間，反映了室內空氣的新鮮程度，可以綜合衡量空間內的通風換氣效果，是評價空氣品質的重要指標，空氣齡的計算式為

(3)

式中：τp為測點處的空氣齡；cp(τ)表示測點在τ時刻標記氣體的濃度；cp(0)表示測點在初始時刻標記氣體的濃度。取頭部測點的空氣齡數值，其值越小，表明空氣品質越好。

2.4 頭足溫差

頭部和腳部測點溫差的絕對值，計算式為

ΔT=|TA-TC|

(4)

根據國家軍用標準GJB 3991—2000規定，為保證艙室內乘、載員感覺正常舒適，乘、載員的頭足溫差應小于3 ℃。

3 送風系統布局優化

本文首先針對不同的送風系統布局，開展仿真計算分析。結合特種車輛門窗位置、內部結構件和裝飾件等具體情況，共設計了5種送風口與回風口的布局形式，如圖4所示。圖4中，布局1、布局2、布局3均為頂部及腳部左右條縫送風口，回風口形式分別為尾部回風口、側壁回風口及底部回風口；布局4為頂部前后及腳部左右條縫送風口，尾部回風口；布局5為前艙頂部個人送風口、后艙頂部及腳部左右條縫送風口，尾部回風口。

圖4 各送風系統設計布局示意圖Fig.4 Layouts of air supply systems

整理仿真計算數據，得出各設計布局下10位乘、載員的平均加權溫度、平均頭足溫差、平均空氣齡和平均PMV變化曲線，如圖5所示。

圖5 5種布局各指標對比圖Fig.5 Comparison of indicators of the five layouts

由圖5中曲線分析可知：根據GJB 3911—2000規定，在正常舒適情況下，平均加權溫度在21～25 ℃之間，各布局平均加權溫度相差不大且均處在舒適性范圍內，平均頭足溫差均小于3 ℃，故不將這兩個評估函數作為考量送風系統優劣的主要標準。觀察5種布局的平均空氣齡及平均PMV可得，布局5的平均空氣齡最小，面部空氣質量最好；布局1的平均PMV最接近0，乘、載員熱舒適性最好。進一步比較布局1與布局5，詳細分析兩個布局中各乘、載員數據可知，布局1與布局5的空氣齡標準差分別為4.16 s、19.93 s，表明布局5雖然平均空氣齡最小，但其均勻性相比于布局1較差，因此選定布局1為最優送風系統布局。

4 送風系統參數優化仿真

4.1 優化設置

4.1.1 優化變量

為進一步提升艙內乘、載員的熱舒適性，基于前節布局1，對送風系統主要參數開展優化仿真。優化變量確定為頂部條縫送風口沿y軸的位置參數、回風口沿z軸的位置參數和頂部條縫送風口的送風角度。考慮到前后艙乘、載員座位朝向不同，送風角度對前后艙乘、載員的影響可能不同，故將左右條縫分為前段和后段，分別設置送風角度。根據特種車門窗等細節部件，確定各參數的可取值范圍，最終確定的優化變量如表1所示。

圖6 優化流程Fig.6 Optimal procedure

表1 優化變量設置

4.1.2 目標函數

對艙室熱環境的評價方法和目標函數的選擇十分關鍵，艙室中乘、載員的舒適性取決于多個變量因素。這些因素相互影響和制約，并在艙室中形成了十分復雜的耦合物理場。這就使得對艙室熱環境的評價必須使用多目標函數的方法。本文選用兩個目標函數對艙室內熱環境進行綜合評價，定義如下：

(5)

(6)

式中：j為測點數；φ為一個乘、載員的平均空氣齡。

(5)式表示對10位乘、載員平均PMV取絕對值最小。其值越接近0，乘、載員熱舒適性越好。

(6)式表示10位乘、載員頭部測點平均空氣齡的最小值。面部測點空氣齡越小，則空氣質量越好。

4.1.3 約束條件

約束條件是在解決規劃問題時，對于決策方案的各種限制條件。根據GJB 3991—2000規定，在正常舒適情況下人體頭足溫差應小于3 ℃。因此定義如下約束條件：

max ΔTi<3 ℃

(7)

10位乘、載員頭足溫差的最大值應小于3 ℃，即每個乘、載員的頭足溫差均應小于3 ℃。

4.2 優化流程

本文采用多目標遺傳算法，每一代種群有5個個體。系統通過仿真計算選擇父代中的最優個體并將其直接傳入子代種群中。而子代種群的其余4個個體將通過父代個體間的交叉和變異產生，通過約束條件及收斂性準則的限制最終篩選得到帕累托最優解集。多目標遺傳算法具有較高的收斂效率[20]，可以快速搜索出最優結果。優化流程如圖6所示。

4.3 優化結果

圖8 最優設計結果PMV云圖Fig.8 PMV of optimal design

圖7 優化結果分布圖Fig.7 Optimization result distribution

進一步整理平均PMV、平均空氣齡、平均頭足溫差數據如表2所示。由表2中數據可知，各設計點頭足溫差均小于3 ℃，均滿足要求；根據相關規定，艙室內空氣齡在小于100 s時乘、載員即為較舒適狀態，所選設計點空氣齡均處于規定范圍內。計算各設計點10位乘、載員頭部測點的空氣齡標準差可得，設計點89的標準差最小，其值為3.71 s，故點89的艙內空氣齡均勻性最好；比較各點的平均PMV值及其標準差，點89均為最小，表明艙室內乘、載員的熱舒適性最好。

表2 較優設計點參數比較Table 2 Comparison of better design point parameters

綜合以上分析，確定最優設計為點89，對應參數值分別為：頂部送風口位置0.2 m，回風口位置0.375 m，前段送風角度0°，后段送風角度20°。

圖9 最優設計結果空氣齡云圖Fig.9 Air age of optimal design

圖8和圖9分別展示了最優設計布局參數所對應的PMV和空氣齡在6個截面的分布情況。由圖8和圖9可知，艙內各乘、載員周圍的PMV和空氣齡分布較為均勻，人體周圍各測點PMV的絕對值均小于0.5，滿足設計指標要求。

5 結論

本文結合CFD和多目標遺傳算法對某型特種車輛艙室送風系統進行了優化設計，綜合選取PMV、加權溫度、空氣齡和頭足溫差作為評估函數。得到以下主要結論：

1)對送風系統布局優化設計中，比較五種布局評估函數優劣，篩選得出布局1為送風系統較優布局。

2)對送風系統參數優化設計中，采用多目標遺傳算法，對布局1中頂部送風口位置、送風角度和回風口位置進一步優化，得出各參數的最優取值。