某重型货车空调系统对乘员舱热舒适性影响的分析与改进*

芦克龙,谷正气2,,贾新建,3,尹郁琦

(1.湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082; 2.湖南工业大学,株洲 412007; 3.奇瑞汽车股份有限公司,芜湖 241006)

前言

汽车空调的送风风道是汽车空调系统中重要的部件之一,其设计水平直接影响车内气流组织的合理性,从而影响乘员舱的热舒适性。对空调各风道进行风量分析,评价空调结构设计是否合理,这对提高乘员舱的热舒适性有着重要的工程意义。

近年来,气流在汽车空调风道内的流动情况一直备受关注。目前,随着计算机和数值技术的快速发展,计算流体动力学(CFD)则为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。CFD在现代汽车空调上的应用能够有效地模拟气流在空调内部流动的情况,这对于汽车空调的设计有很大的实用价值,为空调结构优化提供了理论依据。

目前,利用CFD方法进行乘员舱热舒适性方面的研究较多。其中文献[1]重点研究出风口风速、风口尺寸和安装位置对乘员舱热舒适性的影响,并在此基础上对空调系统进行改进,提高了乘员舱热舒适性。但以前的数值仿真分析,往往没有把整个空调系统考虑在内,没有考虑风道结构设计对出风口流速不均匀性的影响,这与实际情况不符。作者将重型货车空调系统和乘员舱作为一个整体,加入驾驶员模型,综合考虑乘员舱的热舒适性。

作者以某重型货车的空调系统为例,利用商业软件Fluent,对空调系统及乘员舱进行CFD分析,采用当量温度 Teq,i作为评价指标,对乘员舱热舒适性进行分析,发现原空调系统的各风道风量分配不均匀,致使乘员舱内部气流组织不合理,热舒适性较差,于是对空调系统进行改进,使乘员舱热舒适性得到明显改善。

1 空调系统模型

图1为该重型货车空调系统(HVAC)包括各风道的几何模型,HVAC采用整体中置式结构,其6个出风口配合车身风道实现左、中、右吹风及除霜吹风,并具备脚部吹风功能。HVAC位于整个模型中间,连接着前吹面、左吹面、右吹面、左吹脚、右吹脚和除霜等风道。

2 CFD仿真及验证

2.1 基本控制方程

气流在HVAC和风道内的流动是复杂的三维湍流流动,对湍流的处理采用标准 k-ε双方程模型。湍流计算的基本控制方程为三维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程,简称RANS方程,即

(1)连续方程为

(2)运动方程为

(3)能量方程为

式中:矢量ui、uj为平均速度分量;v为平均速度;矢量xi、xj为坐标分量;p为流体微元体上的压力;μeff为湍流有效黏性系数;ρ为空气密度 (常温, 1.205kg/m3);T为温度;cp为比热容;k为流体的传热系数;ST为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转化为热能的部分[2-3]。

2.2 网格生成和边界条件设置

文中运用ICEM CFD 10.0来完成网格的划分,采用Delaunay三角形方法在整个计算流域面生成半结构化网格,同时对曲率变化比较剧烈的曲面处进行网格加密,以提高计算精度。为了研究乘员舱热舒适性,须要加入简化乘员舱和驾驶员模型,图 2为空调系统和乘员舱网格图。计算域边界条件设置见表 1[4-5]。

表1 计算域边界条件设定

2.3 试验验证

试验时不加风道,只对HVAC进行检测。在风量性能测试台上对该重型货车HVAC总成进行出风口风量分布检测。该风量性能测试台用于汽车空调风量分配的性能试验,满足标准QC/T 657—2000的要求。被测风量范围为 0～800m3/h,测定精度可达3%。采用CFD软件Fluent进行仿真。为了与试验结果对比,同样只对HVAC进行仿真。仿真和试验各风道风量分配对比结果见表 2。

表2 仿真和试验对比(仅考虑HVAC)

试验检测时,考虑到密封条件,风量有所泄漏。各风口总出风量小于总风量580m3/h。仿真与试验对比,各风口风量分配误差在5%以内,证明用CFD的方法进行模拟仿真是可行的。

3 空调系统分析

3.1 热舒适性评价

近年来国内外的研究成果充分证实了人体热舒适性是多种因素综合作用的结果,是一种主观心理反应。空气的流动直接影响人体皮肤表面与环境的对流换热及皮肤表面水分蒸发,即皮肤表面的热损失,也就对人体热舒适性产生影响。目前评价全身热舒适性的指标有多种,其中最常用的是 PMV指标。然而,由于重型货车乘员舱内的空气流动速度和温度梯度很大,太阳辐射不对称,舱内热环境非常不均匀。因此,采用PMV指标不能评价乘员舱内乘员的热舒适性,需要发展新的评价指标,这里,采用Teq,i作为新的评价指标。

首先将驾驶员人体分为 16个节段,计算每个节段与周围环境的热交换,然后利用局部热舒适评价指标 i代替全身热舒适评价指标来研究非均匀环境中人体热舒适性问题。强迫对流条件下人体第 i节段当量温度Teq,i的计算公式为

式中:Teq,i为人体第i节段的当量温度;Ts,i为人体第i节段的表面温度;vair,i为人体第 i节段周围的空气速度;Si为第i节段的表面面积;Ta,i为第i节段周围的空气温度;σ为斯蒂芬 波尔兹曼常数;εi为第i节段的发射率;fi,n为第i节段对部件表面的角系数; Ti为第i节段的温度;Tn为乘员舱内部件的温度; Qsol为人体得到的太阳辐射;hcal,i为在标准环境下感受器标定的第 i节段的对流换热系数,i为人体的节段[6-7]。

文中模拟工况为高温下空调系统制冷状态。由式(4)计算驾驶员节段的Teq,i值,并与文献[7]规定的合理 Teq,i值比较。驾驶员大部分节段的 Teq,i值偏高,其中胸、背、骨盆和左大腿节段的 Teq,i＞30℃见表 3,已超出文献[7]规定的热舒适范围。

表3 人体部分节段Teq,i值 ℃

3.2 空调系统分析

合理的气流组织能使车内保持合适的温度和空气流速范围,符合人体的舒适感。空调系统各风道风量分配决定乘员舱内气流组织,从而影响其热舒适性。为了改善热舒适性,应从各风道风量分配着手,考察气流组织是否合理。

在重型货车乘员舱内,为保证行车安全性,驾驶员的热舒适性应优先考虑。在保证各出风口风量分配均匀的前提下,为了保证驾驶员周围气流流速,前吹面和左吹面风道的风量比例不能过低[8]。

将各风道模型加入HVAC一起仿真。由于受附加风道的影响,各风道风量比例有所改变,结果见表4。左吹面风道风量比例适中,基本符合要求;除霜风道风量比例偏大,达到 50.3%;前吹面风道风量比例明显偏低,仅占1.7%,送风效果很差。

表4 仿真风量分配

图3为风道内的流线图。由于左吹面和右吹面风道的弯道少,故气流流动较为顺畅,压力损失小,出口流速相对较大;左吹脚和右吹脚风道弯曲过多,且壁面曲率较大,导致气流产生较多漩涡,能量损失大,出口流速偏低;除霜风道中部区域存在较大的漩涡,由图3可知,高速冲出的气流从HVAC的3个出口流入除霜风道内部,又由于除霜风道纵向尺寸过短,且其出口为一狭窄的长方形(见图 1),高速气流遇到了壁面的阻碍作用而形成漩涡,而后气流向两侧分开,出口气流由两侧流出。

图4为前吹面风道内的流线图。由于前吹面风道相对于其出口(前吹面风道和HVAC交接处)而言,位置偏右。从其出口出来的风速明显偏小,加之弯道阻力影响,气流只能从离其出口距离最近的两个出口流出,离其出口距离较远的两个出口(图中所指部位)无气流流出,甚至出现回流。前吹面风道风量分配比例过低,未达到设计指标,亟待改进。

图5为乘员舱上部距地板1 000mm处平面速度分布云图。从图 5可看出,该乘员舱气流组织不合理,气流漩涡较大,前吹面风口风速偏小,乘员舱内有大片低速区域,特别是驾驶员躯干部位风速低于0.4m/s,不利于热量交换,致使驾驶员Teq,i值偏高。

4 改进方案

为了增加前吹面风道风量比例,使流场分布更加合理,改善乘员舱的热舒适性,须对原空调系统结构进行改进。

(1)HVAC导流片

HVAC内部的导流片对风道内气流的流动有很大影响,导流片设计的好坏直接影响各风道出风量的大小。分析原空调系统的流场,HVAC连接前吹面风道处的导流片设计不合理,阻滞气流进入前吹面风道,可考虑去掉此导流片[9]。

(2)前吹面风道的位置

风道的安装位置也影响其风量分配。改变前吹面风道的安装位置,将前吹面风道往下方平移,使得气流流过HVAC的下部时,直接冲击前吹面风道,从而增加前吹面风道的风量。

(3)局部曲面曲率

原始前吹面风道壁面弯曲过多,曲率较大,导致气流产生较多的漩涡,能量损失过大,出口流速偏低,有回流。改进局部曲面曲率,能减小压力损失,使气流流动顺畅,提高风口的流速,增加出风量。

综合考虑以上 3种方案,重新计算风量分配,其结果见表5。从表 5可看出,改进后各风道风量分配趋于合理,前吹面风道风量比例明显增大。

表5 综合改进后风量分配

由式(4)计算出改进后驾驶员每节段的 Teq,i值,并将该值与改进前进行比较,如图 6所示。图中两条黑色粗线为文献[7]给出的热舒适性边界线。改进后,整体 Teq,i值均有一定程度减小,大部分节段的Teq,i值位于舒适范围内。

5 结论

(1)对HVAC进行仿真,将各风道风量分配与试验结果进行对比,其误差在5%以内,仿真和试验吻合较好,验证了用CFD进行数值仿真的可行性。

(2)空调系统的设计水平很大程度上影响乘员舱的热舒适性。结构设计决定各风道风量分配比例,这将直接影响乘员舱内气流组织,进而影响乘员舱热舒适性。

(3)在空调各风道中,前吹面风道风量分配比例对乘员舱热舒适性影响很大。对空调系统进行局部改进,如去除导流片、改变前吹面风道的位置和局部曲面的曲率,这些措施增加了前吹面风口的出风量,改进后前吹面风道风量比例提高了 28%,在很大程度上改善了乘员舱的热舒适性。

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[3] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社, 2004.

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