基于AMESim的乘員艙降溫性能仿真分析

劉 西,蒲 浩,胡遠志

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室, 重慶 400054)

汽車工業歷經百余年積淀,其動力性、經濟性和安全性等性能都得到了充分發展。隨著生活品質的提升,人們對汽車乘坐舒適性的要求越來越高[1]。高溫天氣下,乘員艙空調的降溫性能是汽車舒適性的一項重要指標,文獻[2]研究表明,空調的普及明顯降低了熱相關死亡率,對于密閉狹小的汽車乘員艙而言,空調降溫性能更為重要。歐美國家從20世紀70年代就開始關注乘員艙的熱舒適性問題[3],但在汽車設計開發過程中,通過試驗分析艙內流場成本高、周期長,隨著計算機技術的不斷完善,計算機輔助工程成為了解決這一問題的最優選擇。國外很早就開始利用仿真技術研究HVAC系統設計[4],Yang等[5]設計了一種可以控制局部區域溫度的車載空調,提高車輛的能量利用效率;Singh等[6]提出了一種新的一維和三維聯合仿真框架,通過對收割機乘員艙的HVAC系統仿真結果,分析驗證了該框架的有效性。

國內對乘員艙舒適性的研究起步較晚。孫學軍等[7]利用二維數值模擬的方法,通過改變空調的送風角度,分析了艙內溫度場和速度場的變化,為乘員艙氣流組織設計優化奠定了基礎;何青治等[8]通過三維模型仿真軟件對乘員艙的降溫過程進行分析,反映了艙內不同區域的降溫情況;高健[9]介紹了一種一維和三維聯合仿真的方法,可以提高乘員艙降溫過程仿真的精度。

如今,汽車不僅在駕駛性能上追求極致,車主的審美要求也越來越高。當下全景天窗車型成為了汽車時尚的一種標志[10],但全景天窗在提升汽車美觀的同時,也導致高溫天氣下,乘員艙內頭部溫度過高的問題[11]。對此,可以通過貼膜、加裝遮陽簾,或者采用有色玻璃等方式解決。本文對一款帶全景天窗的車型,應用多領域一維仿真軟件AMESim,分別對其加裝遮陽簾前、后進行乘員艙降溫仿真分析。

1 空調系統制冷負荷計算理論

1.1 車身熱平衡關系的建立

汽車空調使乘員艙內的溫度、濕度和空氣清新度保持在一個舒適的范圍。其熱負荷主要由內部熱量和外部熱量兩部分組成,車身是這兩部分傳熱的介質,車身傳熱部件如圖1所示。

圖1 車身傳熱部件示意圖

傳入車廂內的各部分熱負荷的總和構成了該車的總熱負荷,汽車車身熱負荷主要包括車廂壁傳熱、通過玻璃的太陽輻射熱、新風熱、乘員散熱、車內電器設備散熱等。綜合各種因素,車身熱平衡的方程式表達如下[12]:

Q=α1(QB+QG+QV+QP+QM)

(1)

式中:α1為儲備系數,取α1=1.1;Q為制冷機產生的冷量;QB為車身壁面傳入熱量;QG為玻璃傳入熱量;QV為新風熱;QP為人體熱;QM為用電設備散熱量。

1.2 通過車身壁面傳入的熱量QB

車身壁面包括頂板、側圍、地板、前圍、后圍等幾部分。即車身壁面熱負荷表達式為:

QB=Q頂板+Q側圍+Q地板+Q前圍+Q后圍

(2)

車身壁面多屬均勻壁面,因此,它的傳熱可以按照多層均勻壁面傳熱計算,計算公式如下:

Qi=KiFi(tH-tB)

(3)

式中:Qi為傳熱量;Ki為傳熱系數;Fi為傳熱面積;tH為車外空氣溫度;tB為車內空氣溫度。需要注意帶發動機的車型前圍靠近機艙;tH的溫度應單獨取值計算。

1.2.1車身壁面傳熱系數Ki的計算

傳熱系數K與車身內、外表面放熱系數αH、αB及隔熱層熱阻有關,由于車身各壁面的條件不同(如壁面外表面溫度、車身隔熱措施等差別很大),所以車身各壁面的傳熱系數Ki是不同的。要分別計算各部分的傳熱系數Ki,計算公式如下:

(4)

式中:αH為外表面放熱系數;αB為內表面放熱系數;δ為隔熱材料厚度;λ為隔熱材料導熱系數;Ra為空氣夾層熱阻。需要注意車身壁面部分結構金屬面直接和內飾板相連,中間沒有空氣夾層,則Ra取值為0。

1.2.2日照綜合溫度計算

考慮到太陽輻射的作用,通過車身壁面傳入車內的熱量由對流換熱和輻射換熱2部分組成。式(3)表示由車內外空氣溫差引起的以表面對流換熱方式從大氣傳入車內的熱量。通過熱輻射傳入車內的熱量表達式為:

Qi=KiFi(tci-tH)

(5)

式中:tci為日照表面綜合溫度;Ki為傳熱系數;Fi為傳熱面積;tH為車外空氣溫度。

傳入車內的總熱量由式(3)、(5)相加得到:

Qi=KiFi(tci-tB)

(6)

將太陽輻射轉化成為當量溫度的形式,并與車外溫度疊加在一起,組成日照表面綜合溫度tci:

(7)

式中:ρ為車外表面吸收系數,與汽車表面顏色、粗糙度有關,一般取值在0.9左右;I為太陽輻射強度,太陽入射角的不同I的取值不同;αH為外表面放熱系數;Ki為傳熱系數;tH為車外空氣溫度。

1.3 通過車窗玻璃傳入車內的熱量

經車窗玻璃傳入車內的熱量同樣由對流傳熱量和輻射傳熱量2部分組成:

QG=QG1+QG2

(8)

由車內外溫差引起的以表面對流換熱傳入車內的熱量QG1:

QG1=K玻F玻(tH-tB)

(9)

式中:K玻為玻璃傳熱系數;F玻為車窗總面積;tH為車外空氣溫度;tB為車內空氣溫度。

由太陽輻射引起的以輻射換熱傳入車內的熱量QG2:

(10)

1.4 通過換氣新風傳入車內的熱量

QV=V·ρ·(hH-hB)

(11)

式中:ρ為空氣密度;當tH=38 ℃時,ρ=1.1 kg/m3;V為車內新風量,V由內座位數決定,按衛生標準人體新風量需求為20～30 m3/(h·人);hH為車內空氣比焓值;hB為車外空氣比焓值。

1.5 乘員人體散發的熱量

車內乘員散發的熱量與年齡、性別、身體狀況、周圍空氣環境、衣著等諸多因素有關。根據推薦數據,司機可按522.5 kJ/h,乘員按418 kJ/h計算。一般直接按照每人發熱116 W計算。

1.6 用電設備的發熱量

用電設備的發熱量QM主要計算鼓風機及音響等用電設備散熱量,根據設計車型實際情況計算,這部分熱量一般較小,在某些情況下也可忽略不計。

2 AMESim模型搭建

本文利用SIEMENS公司的AMESim 2019搭建空調系統和乘員艙模型,對乘員艙內的降溫性能進行仿真分析。該一維仿真軟件可以用于能量流以及機電液一體化仿真,能夠對空調能耗、乘員艙降溫特性精準仿真[13]。楊英等[14]利用AMESim對影響發動機冷卻系統的多個因素進行了仿真分析,說明了AMESim在能量流仿真上的便捷性和準確性。本文根據實車結構和空調系統的熱管理原理圖,搭建了AMESim仿真模型。

在搭建仿真模型時,為了更精準地模擬系統性能,空調系統的換熱部件及電池冷卻液與空調冷媒換熱的零件chiller需要進行換熱性能的標定。仿真模型中輸入的物理性能參數是經過標定后得到的物理參數,此性能參數可能與零部件的實際參數有所差別。

2.1 空調系統熱管理原理圖

本文仿真分析的車型為一款新能源車型。根據空調系統和電池的熱管理原理圖(如圖2所示),可以看出,空調制冷量不僅用于乘員艙的降溫,還需要兼顧電池包的冷卻。

圖2 空調系統熱管理原理圖

由于電池包的發熱和降溫是一個比較復雜的過程,本文在模擬電池包發熱時通過試驗數據標定結果,在不同工況下給電池包一個不同的恒定發熱功率進行模擬。

2.2 換熱部件的標定

在AMESim軟件中搭建空調系統的仿真模型時,對于大多數的換熱部件軟件都自帶了對應的標定模型,可以直接從demo中獲取。輸入已有的相關換熱部件的單體測試參數,利用自動標定功能,調整相關性能參數,使得模型在設定的進風量及制冷劑流量下的換熱功率與單體測試值接近。這里以蒸發器的標定為例進行說明。

對于蒸發器的標定,標定模型不需要自行搭建,軟件自帶蒸發器標定模型,如圖3所示。

圖3 蒸發器標定模型示意圖

蒸發器標定主要的輸入參數包括零件幾何尺寸、過風面積、進風速度、進風溫度、進風相對濕度、制冷劑進口焓值、制冷劑流量、制冷劑進口壓力及各個條件下的換熱量和制冷劑壓降。

AMESim中換熱模型的標定通過將物理量進行無量綱化處理,再根據單體參數和不同工況下的實驗數據,標定經驗公式中所需要求解的無量綱系數。在標定模塊中有以下經驗公式用于參數的標定:

(12)

式中:Φ為熱流率;λ為導熱系數;dcdim為換熱器特征長度即液力直徑;Scearea為對流換熱面積;Tair為濕空氣溫度;Twall為換熱壁面溫度;Nu為努塞特數,表征對流傳熱與純導熱之比。

上式用于計算空氣側的濕空氣和換熱壁面的熱交換,相關參數均為濕空氣參數。

努塞特關聯式:

(13)

式中:Re為濕空氣側的雷諾數,表征湍流換熱和層流換熱的無量綱參數;Pr為濕空氣側的普朗特數,表征速度邊界層和層流邊界層的無量綱參數;a、b、c均為換熱器單體特性無量綱常數,通過標定得出具體數值。

在標定模型中,a、b、c用于調整外部換熱的參數,外部換熱是壁溫的函數,而壁溫又取決于內部溫度,所以,在某些情況下,需要同時調整制冷劑側的熱交換系數kHeat。同時制冷劑流過冷凝器管道后會有壓降,壓降和散熱是一對耦合現象,所以需要標定制冷劑側摩擦壓降系數kdP。在標定界面輸入相關參數進行自動標定后會得到上述a、b、c、kHeat、kdP5個參數的最優解,用于仿真模型的參數設置中。本文蒸發器用于標定的單體性能參數如表1所示。標定結果如圖4所示。

表1 蒸發器單體性能參數

圖4 蒸發器標定結果

2.3 乘員艙降溫性能仿真模型

乘員艙的溫度會受到汽車行駛狀態的影響[15],為了模擬不同工況下車內的降溫過程,根據相關試驗工況設定仿真工況,空調選擇內循環模式,整車降溫環境溫度為38 ℃,空氣相對濕度為50%,光照強度1 000 W/m2。車速如表2所示,主要驗證低速、高速及怠速3種工況下的降溫性能。

表2 行駛車速

乘員艙降溫性能仿真模型如圖5所示。主要包括空調系統回路、乘員艙模型和模擬電池包發熱模型三大部分。模型下半部分為電池包發熱模型,根據熱管理原理圖可知空調系統可以對電池包進行降溫。但是兩回路中的工作介質不同,空調系統使用冷媒制冷,電池包使用冷卻液換熱,所以兩者之間的熱交換是通過換熱零件chiller實現的,chiller一側在電池冷卻回路中,另一側在空調制冷劑回路中。在仿真模型中,根據試驗數據標定結果設置電池包散熱從空調制冷量中所帶走的部分能量,車速為40 km/h時為80 W,車速為100 km/h時為1 000 W,怠速工況下為30 W。右上半部分為乘員艙模型,針對不同的乘員艙車頂狀態仿真時,要改變其換熱系數,該模型的換熱系數通過相近車型的環境艙試驗數據標定后獲得。模型左上部分是空調系統回路模型,空調系統中零部件較多,在搭建模型過程中對于零部件的單體參數需求較多,特別對于蒸發器、冷凝器需要單體試驗數據用來對其進行標定。所有參數設置完成后,根據仿真工況設置好仿真時間即可進行仿真。

圖5 乘員艙降溫仿真模型示意圖

3 仿真結果及試驗驗證

為解決該車型全景天窗降溫不滿足性能目標的問題,分別對全景天窗、加裝一層遮陽簾和加裝兩層遮陽簾3種車頂狀態進行降溫性能仿真和試驗分析。3種不同車頂狀態的仿真模型只需要更改乘員艙模型的相關換熱系數,試驗工況和仿真工況保持一致。

3.1 試驗驗證方案

3.1.1試驗準備

試驗前按照試驗規范布置溫度傳感器,如圖6所示。連接數據采集模塊,接通電源檢測傳感器是否能夠正常工作。按照試驗車型使用說明書和有關技術條件規定,對汽車進行技術檢查和保養。將車輛正確固定到試驗艙轉轂上,確保試驗過程中試驗人員的安全。

圖6 溫度傳感器布置示意圖

模擬試驗艙溫度維持在(38±1)℃,相對濕度在(50±5)%,太陽輻射強度在(1 000±25)W/m2。試驗期間調整空調出風口角度,使主要氣流吹向溫度傳感器處。

3.1.2試驗方法

開始降溫前,先進行預熱升溫。預熱階段1:試驗艙環境達到試驗準備中所述條件后,打車汽車門窗,汽車迎面風速設置為30 km/h,取座椅導軌(金屬材料)溫度為參考值,直到其溫度與環境溫度一致。預熱階段2:試驗艙環境條件不變,汽車迎面風速設置為5 km/h,關閉汽車門窗,預熱30 min。升溫階段3:試驗艙環境條件不變,汽車迎面風速設置為5 km/h,關閉門窗,使車內溫度達到60 ℃或車內溫度變化率不大于1 ℃/10 min。

預熱升溫結束,整車施加滿載滑行阻力曲線。駕駛員進入車內,將溫度調節開關置于最大冷卻模式位置,同時打開A/C開關,按照表2工況進行降溫試驗,全程記錄各測試點數據。

3.2 全景天窗降溫

3.2.1仿真結果

根據相關試驗規范在進行乘員艙降溫性能試驗時,首先對車內空氣進行預熱升溫。在仿真時可以直接設定乘員艙內空氣的初始狀態,全景天窗狀態下,前排頭部初始溫度設為60 ℃,后排頭部溫度設為60 ℃。根據試驗工況要求,仿真總時長為4 200 s。全景天窗狀態下的降溫仿真結果如圖7所示。

圖7 全景玻璃狀態乘員艙降溫仿真結果曲線

從仿真結果看出,在車速為40 km/h,行駛20 min后,前后排頭部溫度均不滿足表3中的性能要求。

3.2.2試驗驗證

全景天窗狀態下,試驗數據和仿真結果曲線如圖8。試驗數據顯示車速為40 km/h,行駛20 min后,前后排頭部溫度均不滿足表3中性能要求。分析仿真和試驗數據,兩者降溫過程基本一致,試驗過程降溫速率略快于仿真過程降溫速率,溫度穩定后試驗值略高于仿真值。

圖8 全景玻璃狀態仿真和試驗結果曲線

3.3 加裝一層遮陽簾降溫

3.3.1仿真結果

全景天窗加裝遮陽簾后,預熱升溫階段結束前后排頭部溫度會有差異。前排頭部溫度因直接接受太陽輻射,同時車內空氣流動性弱,所以前排頭部溫度會高于后排頭部溫度,根據試驗數據標定結果,仿真時設置前排頭部初始溫度為60 ℃,后排頭部初始溫度為45 ℃。重新設置乘員艙相關換熱系數后,其余參數不變,加裝一層遮陽簾后乘員艙降溫仿真結果如圖9所示。

圖9 一層遮陽簾狀態乘員艙降溫結果曲線

仿真結果顯示,第二階段車速為100 km/h行駛20 min后,后排頭部溫度略高于表3中性能目標值。

3.3.2試驗驗證

加裝一層遮陽簾后,試驗數據和仿真結果變化曲線如圖10。試驗數據顯示車速為40 km/h行駛20 min及車速為100 km/h行駛20 min后,后排頭部溫度高于表3中性能目標值。分析仿真和試驗數據,兩者降溫過程基本一致,仿真過程降溫速率略快于試驗過程降溫速率,溫度穩定后,試驗值略高于仿真值。

圖10 一層遮陽簾狀態仿真和試驗結果曲線

3.4 加裝兩層遮陽簾降溫

3.4.1仿真結果

加裝兩層遮陽簾后,根據試驗標定數據重新設置乘員艙相關換熱系數,前排頭部初始溫度為 60 ℃,后排頭部初始溫度為45 ℃,其余參數不變。加裝兩層遮陽簾后,乘員艙降溫仿真結果如圖11所示。

圖11 兩層遮陽簾狀態乘員艙降溫仿真結果曲線

仿真結果表明,加裝兩層遮陽簾后,各個工況結束后的溫度值都滿足乘員艙降溫性能要求。

3.4.2試驗驗證

加裝兩層遮陽簾后,試驗數據和仿真結果變化曲線如圖12。試驗數據顯示車速為40 km/h行駛20 min后,后排頭部溫度仍略高于高于表3中性能目標值(可通過更換隔熱效果更好的遮陽簾解決)。分析仿真和試驗數據,兩者降溫過程基本一致,仿真過程降溫速率略快于試驗過程降溫速率,溫度穩定后試驗值略高于仿真值。

圖12 兩層遮陽簾狀態仿真和試驗結果曲線

3種不同車頂狀態下的乘員艙降溫仿真及試驗結果如表3所示。

表3 仿真及試驗結果

由于部分零部件參數無法收集齊全,選取相近車型的零部件參數代替,對仿真精度會有一定影響。但從仿真結果和試驗數據比對來看,兩者降溫過程基本一致,溫度穩定后的最大誤差在15%左右。仿真和試驗結果說明,通過加裝遮陽簾能夠有效解決車內溫度過高的問題,同時也驗證了該一維仿真模型準確性較高。

4 結論

新能源汽車整車熱管理回路互相耦合,各回路的熱量會根據具體的熱量需求在整車控制器的控制下分配利用,有電池回路和電機回路串聯的情況,也有兩回路并聯的情況,相較于傳統燃油車的整車熱管理回路更加復雜,而AMESim能夠對上述情況的能量流進行有效仿真,可以實現便捷更改熱管理回路中各零部件參數對不同工況進行仿真。本文應用AMESim針對某全景天窗車型加裝車頂遮陽簾前后,在相同工況下對乘員艙頭部降溫性能進行了仿真分析,為相關科研工作提供了思路。

仿真及試驗結果表明,通過加裝遮陽簾有效降低了全景天窗車型高溫環境中乘員艙頭部溫度。在實際研發過程中可以選擇加裝多層遮陽簾或一層隔熱效果較好的遮陽簾,避免全景天窗車型乘員艙降溫性能不滿足實用目標要求。