基于CFD的車室內(nèi)熱舒適評(píng)價(jià)及試驗(yàn)研究

張喜清，王亞龍，張浩杰

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 前言

裝載機(jī)作為重要的土方機(jī)械，其作業(yè)環(huán)境往往比較惡劣，工作時(shí)間長，勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，保證車室內(nèi)良好的熱環(huán)境，可以緩解駕駛員疲勞，減少事故的發(fā)生。

利用CFD技術(shù)對(duì)駕駛室熱舒適性的研究較多。林家泉、遲聘[1]采用加權(quán)PMV和EQT熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究飛機(jī)座艙內(nèi)的非均勻熱環(huán)境；趙蘭萍等[2]基于PMV指標(biāo)和等效均勻溫度(EHT)對(duì)駕乘人員熱感覺進(jìn)行分析，得出EHT指標(biāo)更容易滿足駕乘人員的熱舒適性；王勇等人[3]基于Fluent二次開發(fā)UDF對(duì)駕駛室熱舒適性進(jìn)行仿真分析，研究不同送風(fēng)方式和送風(fēng)溫度對(duì)熱舒適性的規(guī)律影響；王靖宇等[4]在當(dāng)量溫度EQT基礎(chǔ)上結(jié)合熱感覺偏差和冷負(fù)荷，利用不同送風(fēng)參數(shù)研究轎車內(nèi)流場(chǎng)的分布，分析氣流組織對(duì)熱舒適性影響；呂鴻斌等[5]基于內(nèi)流場(chǎng)對(duì)轎車乘員艙進(jìn)行熱舒適性分析，研究了送風(fēng)溫度對(duì)人體熱舒適性的影響。目前，大多數(shù)研究以轎車熱舒適性為對(duì)象，因此對(duì)裝載機(jī)駕駛室熱舒適性進(jìn)行研究，不僅有一定的理論意義，還有較強(qiáng)的工程價(jià)值。

本文作者以某裝載機(jī)駕駛室為研究對(duì)象，對(duì)冬季駕駛室的熱舒適性進(jìn)行研究，利用CFD商業(yè)軟件對(duì)駕駛室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過試驗(yàn)驗(yàn)證模型是否合理。采用UDF編程對(duì)PMV-PPD、吹風(fēng)感和空氣齡進(jìn)行定義，對(duì)駕駛室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行可視化處理。

1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 數(shù)學(xué)模型

考慮到駕駛室空間狹小，室內(nèi)空氣流速較低，假設(shè)空氣為不可壓縮氣體，計(jì)算流體力學(xué)的控制方程如下：

(1)連續(xù)性方程

(1)

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；u為速度矢量，ux、uy、uz分別為X、Y、Z三個(gè)方向的分量。

(2)動(dòng)量方程

(2)

(3)

(4)

式中：p為微元體上的壓力；τxx、τxy和τxz是因分子黏性作用而產(chǎn)生在微元體表面上的黏性應(yīng)力τ的分量；微元體表面X、Y、Z三個(gè)方向的應(yīng)力張量fx、fy、fz是微元體受到的體積力。

(3)能量方程

(5)

(4)Realizableκ-ε方程

(6)

(7)

式中：Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；ut為湍流黏度；σk和σε分別表示湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率的普朗特?cái)?shù)。

1.2 物理模型

由于駕駛室復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)氣流分布存在影響，為方便計(jì)算，根據(jù)駕駛室內(nèi)部結(jié)構(gòu)，按照對(duì)流體流動(dòng)和熱舒適性影響小的原則，進(jìn)行如下簡化：

(1) 將駕駛室內(nèi)飾和外部結(jié)構(gòu)簡化為平面，保留玻璃車門等部位的尺寸；

(2) 簡化送風(fēng)口和出風(fēng)口，保留其有效面積，使駕駛室可完成進(jìn)排氣循環(huán)；

(3)保留儀表盤、方向盤、座椅等結(jié)構(gòu)，去除一些細(xì)小的零部件；

(4) 考慮到除霜口不經(jīng)常使用，在建模中給予簡化。

利用CATIA軟件建立駕駛室?guī)缀文Ｐ停Ａ糇巍⒎较虮P、送風(fēng)口、出風(fēng)口、玻璃和車門，幾何模型如圖1所示。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

1.3 網(wǎng)格劃分

為提高計(jì)算精度，盡可能保證網(wǎng)格方向和流動(dòng)方向一致，在提高數(shù)值求解的收斂性和穩(wěn)定性同時(shí)，還能減少偽擴(kuò)散。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分有限元模型，有利于節(jié)約計(jì)算時(shí)間。對(duì)送風(fēng)口、出風(fēng)口等梯度大的地方進(jìn)行加密處理，生成的體網(wǎng)格單元數(shù)量為502萬，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為92.8萬。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

1.4 邊界條件設(shè)置

根據(jù)仿真和實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)邊界條件和數(shù)值求解參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)定Tab.1 Boundary condition setting

2 數(shù)值仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

為準(zhǔn)確分析車室內(nèi)熱舒適性，根據(jù)GB/T 19933.4—2014規(guī)定測(cè)量點(diǎn)1～6的溫度和點(diǎn)1～7的空氣流速。通過測(cè)量駕駛員周圍各點(diǎn)溫度和空氣流速，來反映駕駛室的熱舒適性[6]。各測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)位置Fig.3 Location of measuring points

2.1 氣流組織分析

合理的氣流組織保證了駕駛室內(nèi)的溫度和空氣流速。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，空調(diào)送風(fēng)分為吹臉模式(1和2)和吹腳模式(3和4)。暖風(fēng)氣流經(jīng)送風(fēng)口1和2進(jìn)入駕駛室，徑直吹向駕駛員兩側(cè)，氣流遇到后壁面時(shí)，大部分沿垂直方向經(jīng)室內(nèi)頂棚折返到前擋風(fēng)玻璃。由送風(fēng)口3和4送入的暖風(fēng)氣流徑直吹向地板，使得人體腳步附近的溫度得以快速提高。氣流組織分布如圖4所示。

圖4 氣流組織分布Fig.4 Air distribution

2.2 溫度場(chǎng)分析

一般認(rèn)為，車室內(nèi)的溫度對(duì)駕駛員熱舒適性影響最大。冬季室內(nèi)的熱舒適溫度推薦值為17～21 ℃，低于14 ℃、高于25 ℃都會(huì)影響駕駛員的操作，增加事故的風(fēng)險(xiǎn)性[7]。駕駛員周圍的溫差應(yīng)小于5 ℃，溫差過大會(huì)讓人感覺不適。

當(dāng)駕駛室氣流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，大部分區(qū)域的溫度為22～23 ℃，分布比較均勻，但座椅后側(cè)和儀表盤附近的溫度低于14 ℃，由于氣流遇到阻礙不能到達(dá)該位置造成的。溫度場(chǎng)分布如圖5所示。

圖5 溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature field distribution

2.3 速度場(chǎng)分析

適宜的空氣流速能快速提升車室內(nèi)的溫度，冬季室內(nèi)的空氣流速推薦值一般為0.5 m/s，流速過小會(huì)讓駕駛員感到沉悶，太大會(huì)影響人體保溫[8]。根據(jù)人體頭部對(duì)冷敏感和腳部對(duì)熱敏感的反應(yīng)，在評(píng)價(jià)車室內(nèi)熱舒適性時(shí)，應(yīng)考慮頭涼腳暖帶給駕駛員的影響。

通過速度云圖可知，人體上半身空氣流速小于0.4 m/s，面部空氣流速在0.1～0.3 m/s之間，不會(huì)給頭部帶來強(qiáng)烈的吹風(fēng)感。送風(fēng)口3、4送入的暖風(fēng)氣流遇座椅受阻，產(chǎn)生局部渦流導(dǎo)致小腿附近的空氣流速偏大。人體中心速度場(chǎng)分布如圖6所示。

圖6 速度場(chǎng)分布Fig.6 Velocity field distribution

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用熱敏風(fēng)速儀和數(shù)字溫度表，分別對(duì)人體附近位置點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。為減小試驗(yàn)帶來的誤差，多次測(cè)量求其平均值。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)操作如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)操作Fig.7 Test operation

將仿真與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，仿真溫度比試驗(yàn)溫度高1～2 ℃，各點(diǎn)實(shí)測(cè)平均溫度為21.1 ℃，與室內(nèi)溫度的推薦值比較接近。測(cè)點(diǎn)5處的溫度最大，約為22.4 ℃，由于室內(nèi)暖風(fēng)氣流上升的緣故，使得該位置的溫度較其他部位高1～2 ℃。通過分析各點(diǎn)溫度值，測(cè)點(diǎn)5的誤差值最大，約為8.4%。溫度對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 溫度對(duì)比Fig.8 Temperature comparison

通過分析各測(cè)點(diǎn)空氣流速，受送風(fēng)口3和4吹入氣流的影響，點(diǎn)1和2的流速較大，分別為0.56、0.53 m/s。點(diǎn)3、4、6和7處的流速比較接近，約為0.3 m/s，小于室內(nèi)空氣流速的推薦值0.5 m/s。經(jīng)過對(duì)比驗(yàn)證，測(cè)點(diǎn)2的速度誤差最大為7%。速度結(jié)果如圖9所示。

圖9 速度對(duì)比Fig.9 Speed comparison

通過比較測(cè)點(diǎn)的溫度和速度，誤差值均小于10%，仿真與試驗(yàn)基本吻合。考慮到駕駛室為簡化模型、實(shí)測(cè)試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差，證明該模型有一定的合理性。

3 熱舒適性評(píng)價(jià)及分析

熱舒適性是人體對(duì)熱環(huán)境的主觀感受，有關(guān)熱舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多，比如等效均勻溫度、速度不均勻系數(shù)和整體熱感覺等。本文作者基于PMV-PPD、空氣齡和吹風(fēng)感多指標(biāo)體系，進(jìn)一步分析車室內(nèi)的熱舒適性。

3.1 熱舒適性指標(biāo)

(1)PMV-PPD

依據(jù)ISO7730標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)PMV在(-0.5，0.5)范圍內(nèi)、PPD<10%時(shí)，人體熱感覺較為舒適；當(dāng)PMV=0，PPD=5%時(shí)，人體為最舒適狀態(tài)[9]。近年來，PMV-PPD作為評(píng)價(jià)室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性被廣泛使用，PMV的計(jì)算方程如下：

fPMV=(0.303e(-0.036M)+0.028){(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)}

(8)

式中：M為新陳代謝率(W/m2)；W為人體輸出功(W/m2)；pa為水蒸氣分壓(kPa);Ta為局部空氣溫度(℃);fcl為穿衣人體和裸體表面積之比;Tcl為著衣外表面溫度(℃);Tr為平均輻射溫度(℃);hc為對(duì)流交換系數(shù)[W/(m2·K)]。根據(jù)人體對(duì)冷熱的感知，得出熱感覺與PMV值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，評(píng)價(jià)等級(jí)如表2所示。

表2 PMV評(píng)價(jià)等級(jí)Tab.2 PMV assessment grade

由于個(gè)體間的差異，每個(gè)人對(duì)同一環(huán)境下的熱舒適感不完全一樣，由此提出熱環(huán)境下的預(yù)測(cè)不滿意率PPD，表示人體對(duì)當(dāng)前熱環(huán)境的不滿意度。當(dāng)PMV確定時(shí)，PPD的計(jì)算方程如下：

(9)

(2)吹風(fēng)感和空氣齡

吹風(fēng)感是用來預(yù)測(cè)吹風(fēng)強(qiáng)度引起人體的不滿意率。由空氣運(yùn)動(dòng)引起駕駛員產(chǎn)生期望的局部冷感，用DR來表示。依據(jù)ISO7730規(guī)定，吹風(fēng)感系數(shù)小于15%時(shí)，人體處于舒適區(qū)間。DR的計(jì)算公式如下

fDR=(34-Ta)(va-0.05)0.622 3(0.369 6vaTu+3.143 9)×100%

(10)

式中：Ta為空氣溫度，℃；va為空氣速度， m/s；Tu為湍流強(qiáng)度，%。當(dāng)va<0.05 m/s時(shí)，則va=0.05 m/s，當(dāng)fDR>100%時(shí)，取DR=100%。

最早在20世紀(jì)80年代，SANDBERG M提出了評(píng)價(jià)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)空氣齡[10]。即空氣從入口到達(dá)室內(nèi)某一位置經(jīng)歷的時(shí)間，空氣齡越小，說明空氣越新鮮。封閉空間中某一點(diǎn)的空氣由不同空氣齡τ的空氣組成，設(shè)空氣齡概率為f(τ)，空氣齡平均值τp計(jì)算公式如下

(11)

3.2 熱舒適性分析

利用C語言對(duì)PMV-PPD、吹風(fēng)感以及空氣齡等熱舒適性指標(biāo)進(jìn)行UDF編譯，結(jié)合Fluent模擬軟件，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)施可視化處理。

3.2.1 PMV-PPD分析

當(dāng)駕駛室穩(wěn)定后，室內(nèi)溫度和速度都發(fā)生了很大變化。駕駛員表面的PMV值在(-0.55，0.35)區(qū)間內(nèi)，PPD值分布范圍為5.5%～12.5%。頭部的PMV值為0.2，PPD值約為6%，說明該部位熱舒適性良好。然而駕駛員左腳處PMV值為-0.55，PPD值為12.5%，說明左腳處微涼，預(yù)測(cè)不滿意度偏大。

總體來說，人體表面PMV-PPD值基本在合理的范圍內(nèi)，滿足ISO7730規(guī)定的-0.5

圖10 人體表面PMV分布 圖11 人體表面PPD分布Fig.10 PMV distribution on Fig.11 PPD distribution on human body surface human body surface

3.2.2 吹風(fēng)感分析

通過對(duì)駕駛員表面吹風(fēng)感進(jìn)行研究，得出吹風(fēng)感系數(shù)10%

圖12 人體表面吹風(fēng)感分布

3.2.3 空氣齡分析

空氣齡用來評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的好壞，當(dāng)空氣齡小于40 s，認(rèn)為該室內(nèi)的空氣較新鮮，人體感覺比較舒適。

從中心截面空氣齡云圖可知，駕駛員附近平均空氣齡為32～36 s，空氣齡分布均勻，說明室內(nèi)空氣比較新鮮。駕駛員背部與座椅之間、前擋風(fēng)玻璃下邊緣、座椅與后壁形成的狹小空間，這些位置氣流組織很難到達(dá)，空氣齡甚至達(dá)到了40 s。總體看來，車室內(nèi)的空氣新鮮度較好。空氣齡的分布如圖13所示。

圖13 空氣齡分布Fig.13 Air age distribution

4 結(jié)語

以冬季裝載機(jī)駕駛室暖風(fēng)工況為研究對(duì)象，對(duì)駕駛室熱舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并得到如下結(jié)論：

(1) 通過建立仿真模型，設(shè)置不同送風(fēng)口的溫度和速度，經(jīng)仿真與試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，在一定誤差范圍內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)溫度誤差最大為8.4%，速度最大誤差值為7%，證明所建模型的合理性和可靠性。

(2) 評(píng)價(jià)駕駛室熱舒適性時(shí)，利用Fluent自定義功能的方法對(duì)PMV-PPD、吹風(fēng)感和空氣齡進(jìn)行編譯。經(jīng)編譯后對(duì)駕駛室熱舒適性進(jìn)行可視化處理，并分析了局部熱不舒適、吹風(fēng)感強(qiáng)烈及空氣不新鮮的原因。

(3)車室內(nèi)的氣流組織與人體熱舒適性緊密相關(guān)，通過研究人體表面的PMV-PPD和吹風(fēng)感系數(shù)的分布，說明駕駛員熱感覺良好，室內(nèi)空氣比較新鮮。