汽車座椅通風數值模擬與熱舒適性研究

關鍵詞：座椅通風；汽車；舒適度；風機

隨著汽車的普及，駕駛員與乘客對汽車的要求不再局限于汽車性能方面，對汽車乘客艙熱舒適性的要求也越來越高［1］。舒適的熱環境可緩解疲勞，改善煩躁的情緒，提高工作效率和駕駛安全性。然而，汽車乘客艙是一個相對封閉的環境，其內部熱濕環境更為獨特。在自然暴露過程中，熱傳導、對流、太陽輻射極大地改變了汽車乘客艙的熱舒適性，人進入車內會受到瞬時熱沖擊［2］。特別是夏季，汽車乘客艙的環境讓人非常不舒服。因此，如何使汽車乘客艙的溫度和濕度在停車和行駛條件下均符合人體熱舒適的要求很重要［3］。研究發現，從汽車座椅和內飾設計上改善舒適度時，針對身體敏感度較高的部位（肩膀、背部、臀部）要選擇高耐熱性的涂層材料，以減少織物與皮膚之間的熱交換。在座椅加熱系統和暖通空調（HVAC）系統的設計階段應遵循類似的目標［4］。一般來說，座椅會阻礙熱量和水分從人體背部傳遞到環境中，從而給坐著的人帶來熱不適。坐著的人的軀干暴露在對流氣流中，而人的骨盆和背部則被座位結構材料包圍著［5］。具有通風功能的汽車座椅為解決接觸面的初溫問題提供了較好的選擇。汽車座椅通風的原理是在座椅坐墊下方安裝離心風機，利用風機將空氣吹入通風層，然后氣流通過通風層從座椅表面的通風孔向上滲透，從而實現通風功能。圖1為座椅通風示意圖。座椅的通風功能有效地改善了人體和座椅接觸面的空氣自然流通環境，可在天氣炎熱情況下迅速散去汗液，即便長時間乘坐，人體臀部和背部與座椅之間的接觸面仍保持干燥和舒適［6］。此外，座椅通風結構還可通過通風循環的方式使內部空氣得以循環和凈化，從而減少有害氣體的滯留和積累，預防肺結核、麻疹、普通感冒、流感等疾病［7］。

本文通過建立座椅物理模型，設計了一種通風流道布置形式，并對該通風座椅物理模型進行數學建模與模擬計算，得到3種流量工況下壓力場與速度場的變化規律，預測了冷空氣在座椅通風流道內的流動，并對座椅通風流道流場進行了數值計算，分析了多孔座板出氣孔表面的速度和壓力分布，借此分析夏季通風座椅與人體舒適性的關系。

1汽車通風座椅物理模型

近年來，汽車座椅通風技術愈發成熟，并在越來越多的車型上應用。本文構建了一款下吹式通風座椅，建立了該汽車通風座椅物理模型，其外形如圖2所示。在座椅底部設有通風管道，座板下方設有腔室，通過在汽車座椅下安裝的離心式車載冷卻風扇使空氣氣流從設置有端口的座椅表面吹出。夏天車內初始溫度較高時，通過開啟風扇可有效、快速降低座椅表面溫度，并在汽車行駛過程中可加強座椅周圍空氣流動，以滿足駕駛員和乘客的熱舒適性需求。

圖3為汽車通風座椅通風孔分布。首先，考慮到人體與座椅的接觸面較大，因此在設計流道分布形式時通風孔可覆蓋大部分人體與座椅的接觸面。其次，人坐在座椅上時不會全部遮擋通風孔，通風孔中氣流流出后可與人體進行對流換熱，以提高人體舒適度。通風孔從座椅中心向外布置，孔徑逐漸變大［8］。

計算域物理模型如圖4所示。座椅下方通風管道截面尺寸為40mm×40mm，高度為120mm，腔室高度為60mm，座椅表面與腔室之間的輻射狀開孔的最小孔徑為6mm，最大孔徑為8.8mm，高度為50mm。

2汽車通風座椅數學模型

2.1質量守恒方程

在流體力學中，質量守恒為偏微分方程，反映了流道中兩個斷面之間空間的質量平衡。

對于三維不定常流，用x、y、z表示空間直角坐標，用u、v、w表示質點在x、y、z方向上的速度分量，其數學表達式為式中：ρ為流體的密度；t為時間。

2.2動量守恒方程

描述不可壓縮黏性流體動量守恒的方程一般稱為納維?斯托克方程，它是不可壓縮黏性流體最普遍的運動微分方程。其數學表達式為

式中：u為流體的速度；Fx、Fy、Fz為作用在流體上的外力，如果作用在流體上的外力只有重力，由于重力方向垂直向上，則Fx和Fy為0，Fz=?ρg，g為重力加速度；U為總速度；黏性應力τab，a、b分別為x、y、z，其命名規則為a為力的作用面的法向方向，b為力的作用方向，例如τyx表示力作用于與y軸垂直的表面，力的方向為x軸方向。

2.3湍流模型選擇

由于流體存在黏滯性，流體具有層流和湍流兩種不同的流動狀態。根據雷諾數Re可判斷流體流動狀態。在管流中，雷諾數小于2300即為層流；而雷諾數大于4000時，流體流動不穩定，容易形成紊亂不規則的狀態，即為湍流。雷諾數表達式為

式中：v為流體平均流速；d為管道直徑；μ為流體動力黏度。

本文研究的汽車座椅通風流道流體為空氣，氣體流動穩定，并且為完全發展的湍流流動。流道內入口速度較低，因此內部空氣可視為不可壓縮氣體，可忽略其黏性。為了更好地模擬圓孔射流問題，在ANSYSFLUENT軟件中選擇標準k?ε湍流模型。標準k?ε湍流模型是最常用的兩方程湍流模型，其湍流動能k和湍流動能耗散率ε所對應的湍流輸送方程分別為

2.4網格無關性驗證

送風口工況參數如表1所示。座椅下方通氣孔作為入口，入口條件為質量流量進口，座椅表面端口作為出口，出口設置為壓力出口，背壓為0。通風流道表面設置為無滑移壁面。

整個計算域采用六面體網格生成，計算域總體網格數量約為220萬，如圖5所示。在圖5的基礎上擴大及縮小網格尺寸，分別獲得190萬、205萬、234萬，240萬的網格劃分，并在表1工況1下進行數值模擬，得到出口平均風速與網格數量關系如圖6所示，5種網格劃分下座椅出口平均風速相差在5％以內。這表明網格數量為310萬可滿足網格無關性的要求，因此后續計算將在圖5所示的網格尺度下進行。

空氣在座椅通風流道內的流動為較為復雜的湍流過程。本文采用標準k?ε湍流模型，選用SIMPLE算法進行計算，離散化方法使用有限體積法，壓力項采用標準離散格式，其他項采用二階迎風格式。求解器設置如表2所示。

3熱舒適性與計算結果分析

3.1人體熱舒適性分析

Mathieu等基于伯克利模型研究了在座椅上安裝微氣候調節模塊（MCM）和未安裝MCM時乘客艙環境，分析了乘客的座位位置（過道、中心或窗口）和他們的生理條件對熱舒適的影響。依托COCOON項目開發的MCM展示了其在不同乘客艙環境條件、座位位置和身體生理條件下改善乘客熱舒適性的能力。MCM可根據乘客的喜好將冷、熱空氣導入座椅，從而提高乘客的熱舒適度，并為乘客提供更多的個人熱區域控制［9］。

慕尼黑工業大學人體工程學研究所在氣候室內進行了通風座椅人體舒適度實驗，冬季和夏季模式的環境溫度分別為?20°C和40°C。在不同氣候情景下進行研究，以獲得乘客艙內不同溫度、輻射和對流條件對客觀熱感知的影響。實驗表明，夏季座椅出口的設置導致溫差，并在座椅上部區域形成空氣幕?？諝鈴纳系较铝鲃?，為人體帶來一種“溫暖而舒適”的熱感覺［10］。

Alexander等提出等效接觸溫度（ECT）模型，并通過實驗發現座椅通風對于通過接觸面將水分輸送到環境來確保達到特定濕度是必要的。

汗液的蒸發和通過座椅通風排出會導致溫度下降并降低ECT。參加實驗的受試者坐在通風座椅25min后給出的問卷調查的答案大多數介于“中性”和“溫暖但舒適”之間［12］。

綜合上述實驗可以看出，夏季通風座椅的存在會使得人舒適性加強，且隨著風速的增加，人體汗液蒸發速度加快，人體溫度會較快地達到較為舒適的溫度。而在冬季通風座椅可能反而讓人的舒適性降低。

3.2速度場分析

入口質量流量分別為2.4、6.2和9.6g·s?1時，流線圖如圖7（a）、7（b）和7（c）所示。離心風機運轉時，空氣通過座椅下方通風流道入口吹入座椅腔室，并與腔室的上表面發生碰撞后朝四周擴散，產生湍流旋渦，然后氣流從連接腔室的若干出風端口吹出。

座椅通風流道出口速度分布如圖8所示。當入口質量流量分別為2.4、6.2和9.6g·s?1時，座椅表面平均風速分別為0.717、1.825和2.442m·s?1。

表3為不同質量流量時出口平均速度及最大、最小速度?？梢钥闯觯鞯莱隹谥行奶幬创蚩?，使得進入空腔的氣流流動方式改變，且座板四周距離氣流入口較遠的端口直徑較大，使得流速較一致。需合理控制空氣分布，以滿足每個熱源的散熱要求。根據部件溫度均勻性和溫度控制要求，需均勻供風以保證散熱效果。均勻送風即實現流量分布均勻，保證每個出口的流量相等，使流道出口表面整體速度分布均勻［9］。本次計算結果中，80%以上出口速度基本相同，可視為速度均勻。由此，可有效改善人體和座椅接觸面的空氣自然流通環境。

3.3壓力場分析

座椅通風流道表面的壓力分布如圖9所示。本文中提及的壓力均為相對壓力，即絕對壓力與大氣壓力的差值。在座板中央觀察到高壓區域，入口流量在9.6g·s?1時，最大壓力為1.863Pa，而其他出口壓力相當低。最外圈的出口壓力最小且無負壓，但由于端口直徑從內往外逐漸增大，相較于內圈出口壓力來說并未顯著降低。表4為不同質量流量時出口平均壓力及最大、最小壓力。當入口質量流量分別為2.4、6.2和9.6g·s?1時，座椅表面平均壓力分別為0.263、0.771和1.284Pa。

由表4可以看出，當進風口處入口質量流量分別為2.4、6.2和9.6g·s?1時，座椅表面平均壓力分別為0.263、0.771和1.284Pa。座椅表面中心采取不打孔的流道設計方式，使得進風口風垂直射流進入腔室內部接觸到內壁后，氣流均勻散開從表面端口流出，有效防止局部壓力過大。并且端口打孔直徑由內往外線性增大可使座椅表面壓力分布均衡。由壓力云圖可看出，風道出口表面整體壓力控制較好，整體壓力較小，人體不會有太大的感受，較均衡的壓力分布有助于提升人體熱舒適性。

4結論

本文選取了一種流道布置形式。在此基礎上建立了汽車通風座椅模型，并進行了CFD仿真模擬計算，分析了多孔座板的壓力和速度的分布。得到結論如下

（1）建立了具有通風功能的汽車座椅模型。為使座椅表面速度和壓力分布均勻，滿足人體熱舒適性要求，座椅表面氣流出孔排布方式為輻射狀，且端口打孔直徑由內往外線性增大；為避免座椅中間局部壓力過大，中央采用不打孔的流通設計方式。

（2）對汽車通風座椅內部流道進行了仿真計算，分析了通風風道流場的壓力和速度分布情況。結果表明：進風口風垂直射流進入腔室內部并接觸到內壁后，氣流均勻散開從表面端口流出，有效防止局部壓力過大，且端口打孔直徑由內往外線性增大可使座椅表面速度和壓力分布均衡。座椅通風有效改善了人體和座椅接觸面的空氣自然流通環境，提升了人體熱舒適性。

（3）汽車座椅舒適性因人而異且與室外環境息息相關，性別、身高、體重、濕度、室外溫度都會影響駕駛員與乘車人的乘車體驗。本文僅對汽車座椅進行模擬仿真，調研汽車座椅通風對人體舒適性的影響。通過分析可知，夏季人體體表溫度過高，座椅通風系統可以有效地降低體表溫度，汗液潛熱傳遞顯著，有助于提升通風效果，并且可以通過調節風機風量達到最佳舒適度。

目前絕大數座椅通風系統應用于夏季為人體降溫。冬季座椅材質和保暖衣物的存在會使人體舒適度情況變得復雜，接下來會對風機進行改進，并考慮對溫度與保溫衣服的材質進行模擬研究，以使人們在冬季出行時也有舒適的體驗。