280 t矿用车驾驶室空调系统流场仿真分析

刘 勇，马 力，李绮文

(武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070)



280 t矿用车驾驶室空调系统流场仿真分析

刘 勇，马 力，李绮文

(武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070)

建立了280 t矿用车空调系统风道的有限元模型，对不同进风口流速情况下的各出风口流速进行了仿真计算，选择了较为合理的进风口流速。简化驾驶室整体模型，按照所选择的进风口流速对驾驶室流场和温度场进行了仿真，并分析了主驾驶座和副驾驶座附近中性面，以及驾驶员面部附近横向平面的流场和温度场，仿真结果表明，所设计驾驶室空调系统的制冷效果符合人体舒适性的评价指标。

矿用车；驾驶室；空调系统；流场；温度场

大型矿用车作业环境恶劣，行驶路况复杂，作业时间长，因此保证驾驶员的舒适性非常重要。驾驶室内温度和气流是影响驾驶员舒适性的重要因素，而这种影响可以通过对驾驶室内空调系统的调控来进行。在驾驶室设计中，对流场进行设计和仿真分析对提高车辆舒适性有很大作用，目前国内有关驾驶室流场方面的研究主要针对普通轿车和小型货车[1-3]，也有针对高速列车的研究[4]，虽然对于大型矿用车具有一定的借鉴意义，但200 t以上的大型矿用车属于特种车辆，其驾驶室结构、空调布置形式、风道设计等方面与轿车、客车有较大区别。因此笔者运用流体动力学和人机工程学原理对280 t矿用车驾驶室内流场进行仿真分析，选取合适的设计参数，确保所设计的驾驶室能满足人体舒适性要求，节省了设计成本并为同类驾驶室空调系统的设计提供了参考。

1 风道流场仿真分析

经匹配计算，280 t大型矿用车空调系统需要的制冷量为4 000 W，空调风机流量为400 m3/h,空调功耗为3 000 W，最终选择某公司的空调设备。欲对驾驶室在空调作用下的内流场进行设计和仿真分析，首先要进行风道设计和仿真分析，这样不仅可确定较合理的进风口流速，而且可为驾驶室流场仿真分析提供数据和边界条件。

1.1 风道三维模型的建立

风道设计时要考虑其具体结构和制造工艺对制冷和制热效果的影响,选择合理的风道结构以减少流体能量损失,减少能源消耗。一般汽车的空调风道制造工艺采用铸造成型，而出于对品种多、批量小、变型快的特种车辆特殊要求的适应性考虑，设计的空调风道采用管件安装。设计的280 t矿用车驾驶室空调系统风道三维模型如图1所示，各出风口形状和面积参数如表1所示。

1、6—侧面玻璃的除雾出风口；2、3、5、7—风道出风口；4—前挡风玻璃的除雾出风口；8、9—风道进风口图1 空调系统风道三维模型

1.2 风道网格划分和边界条件确定

首先需要将风道三维模型进行适当简化并将简化后的风道模型导入到ANSYS ICEM CFD中进行网格划分，采用非结构化网格划分方法划分网格，这样的非结构网格自适应较好。根据所创建风道模型的拓扑结构，采用四面体网格robust划分方法进行风道全局网格的划分，进出口位置和过度位置的网格宜较密，以更好地模拟真实流场情况。风道网格划分后的有限元模型如图2所示。

表1 进出风口面积参数

图2 风道网格划分后的有限元模型

按照图1的编号顺序依次定义出风口，分别为out_1、out_2、out_3、out_4、out_ 5、out_6、out_7，其他表面定义为Wall。假定风道管道内是标准状况下的空气，不考虑风道管件的热传导和热辐射，风道各个连接位置的密封性能良好。将风道中空气看作不可压缩的理想气体，其空气密度为1.225 kg/m3，空气比热容Cp为1.006 kJ/(kg·K)，热传导率为0.024 W/(m·K)，同时选择常用的Standard k-epsilon标准湍流模型，采用Navier-Stokes方程进行模拟风道的数值模型，选择用于处理不可压缩的低速流体的压力隐式求解器进行求解[5]。

送风口的流速由压缩机的排量和转速决定，根据驾驶室空调系统压缩机的排量、转速和进风口的截面积，分别设定进风流速为2 m/s、3 m/s、5 m/s，国家规定空调系统的车内干球温度为27±1℃，湿球温度为19.5±1℃。笔者设定进风口温度为293.15 K，将风道7个出风口都设定为压力出口，即出风口的压力值接近标准大气压。将风道的管件部件设定为壁面边界Wall，风道内的空气在短距离内不会发生过多的能量损失。

1.3 风道仿真及结果分析

笔者研究的是空调系统对驾驶员舒适性的影响，因此在研究风道流场时只对影响驾驶员舒适度的出风口流速进行分析，即选择out_2、out_3、out_5进行研究，不同进风口流速下各出风口的平均出风速度如表2所示。不同进风口流速下各出风口截面的流体速度云图如图3所示。由图3可知，当进风口流速为5 m/s时，3个出风口的流速均较大，长时间高流速的冷风会对驾驶员身体健康造成影响，并且会造成能量的浪费；当入风口流速为2 m/s时，3个出风口的流速较小，不宜对矿用自卸车进行快速降温。对比表2数据可以得出在3 m/s的进风速度时，出风的速度符合快速降温和人体舒适性的要求。

表2 不同进风口流速下各出风口的平均出风速度

2 驾驶室流场模型的建立

2.1 驾驶室有限元模型的建立

驾驶室内的结构复杂，内饰和设备较多，在划分网格之前进行模型的合理简化，简化后的模型如图4所示。

用 ANSYS ICEM CFD对几何模型进行网格划分，划分之前需先定义各个面的名称，以方便边界条件的施加。驾驶室前挡风玻璃可以分为3块，为方便后处理，分别定义3块玻璃为前右、前中、前左。划分网格时，将风道出风口处的网格定义得较密，其余位置可定义得较稀，以减小网格计算规模，网格划分后的驾驶室有限元模型如图5所示。

2.2 边界条件处理

驾驶室内的流场可看作是不可压缩的理想气体，因为涉及能量的传递，所以启用能量方程，其中空气密度为1.225 kg/m3，空气比热容Cp为1.006 kJ/(kg·K)，热传导率为0.024 W/(m·K)，将这些参数进行设定，求解器选择基于压力隐式求解器，同样选择常用的Standard k-epsilon湍流模型[6]。根据驾驶室所选择各种玻璃的材料参数，将内外温差设定在20 K，各挡风玻璃边界条件设定如表3所示。

太阳辐射主要通过玻璃传入驾驶室内，从而干扰内流场流体运动，而其余各壁采用隔热材料进行填充，传热系数较小。假设各壁均匀传导热能，取定热流系数为44 W/m2；考虑到人体的发热量，同样采用定热流边界，取热流系数为22 W/m2，将这部分的热量加载到座椅位置来计算。

图3 各进风口流速下的出风口截面流体速度云图

图4 驾驶室简化模型 图5 驾驶室有限元模型

表3 各挡风玻璃边界条件设定

笔者研究的驾驶室内流场是基于空调压缩机流速为3 m/s的情况，上述风道出风口在研究驾驶室流场时变为驾驶室进风口，根据风道的有限元模型可得到在风道进风口流速为3 m/s情况下各驾驶室进风口的流速情况，各驾驶室进风口的流速如表4所示。在驾驶员脚部附近设定一个回风口，因为回风口的具体尺寸位置目前难以设定，笔者假设回风口处没有回流现象，不存在层流干扰，将其简化为一个较小的矩形，边界类型为压力出口。

表4 驾驶室各进风口的流速情况

3 驾驶室数值模拟计算和分析

经过计算得到驾驶室的流场结果云图，设定主驾驶座位的中性面X=-462和副驾驶座位的中性面X=300来观察驾驶员和副驾驶附近流场的流速情况和温度分布，如图6和图7所示。由图6可知驾驶员头部局域附近有较为微弱的流动，流速约为0.3 m/s，脚部附近流速约为1 m/s；由图7可知副驾驶脚部附近有较大流动，流速约为2.2 m/s。在空调室内，气流速度不宜过大，以免使人体尤其是头部受到激烈风速产生不适，因此气流速度在0.2～0.4 m/s为宜，而副驾驶脚部设有回风口，流速较快，符合真实的情况，较大的流速可以加快驾驶室内的换气，从而提高整个驾驶室的空气质量，保证其环境的舒适性。

图6 驾驶员附近中性面流速云图

图7 乘员附近中性面流速云图

图8和图9分别为驾驶员附近中性面和乘员附近中性面的温度云图，从图8和图9可见，前挡风玻璃附近的温度明显高于其他地方，这是因为驾驶室前挡风玻璃为主要辐射传递介质，这与实际相符，整个驾驶室的平均温度约为300 K，驾驶室底部温度较上部高，符合“头凉脚暖”的要求[7]。

图8 驾驶员附近中性面温度云图

图9 乘员附近中性面温度云图

取驾驶室的横向截面Z=396来观察空调在驾驶员和乘员面部平面的流速和温度分布情况，分别如图10和图11所示。由图10可知，整个平面流速分布较为均匀，在副驾驶上部和驾驶室中部区域有涡流现象，流速在1 m/s左右。由图11可知，整个驾驶室在该平面的温度也相对均匀，在涡流区域相对其他地方温度低1～2 K，这是由进风口的送风形式产生的，其他地方的流速和温度分布都基本满足驾驶员和乘员的舒适性要求，整个空调系统的制冷效果明显。

图10 驾驶员和乘员面部附近的空气流速云图

图11 驾驶员和乘员面部附近温度分布云图

4 结论

对空调系统中的风道结构进行流场数值分析，通过对比流体仿真得到不同进风条件下的风道出风情况，得到了舒适性较好的进风口流速。按照所得到的进风口流速对整个驾驶室的内流场进行仿真分析，得到280 t矿用自卸车驾驶室室内不同截面的流体速度和温度分布情况，较好地满足人体舒适性，可以为同类驾驶室的设计提供参考依据。

[1] 王晓明，赵又群．不同进风口方式下汽车流场模拟研究[J]．汽车科技，2009(9)：38-40.

[2] 申绪兵．微型面包车车室温度场仿真技术研究[D]．成都：西南交通大学，2000.

[3] 孟庆超．汽车车身室内流场与空气品质研究[D]．长沙：湖南大学，2007.

[4] 刘杰，李人宪，陈琳，等．高速列车空调系统及车内流场分析[J]．西南交通大学学报，2012(2)：127-132.

[5] 李秀芬，黄妙华．微型电动车车室气流流场和温度场的数值模拟[J]．轻型汽车技术，2006(9)：11-15.

[6] 吕品，束永保，许登科．空调房间室内气流组织的数值模拟研究及应用[J]．安徽理工大学学报(自然科学版)，2005(4)：22-26.

[7] 卢小平，余跃进，张川燕．室内机位置对室内热舒适影响数值模拟分析[J]．建筑热能通风空调，2008(4)：67-69.

LIU Yong:Postgraduate; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[编辑：王志全]

Simulation and Analysis on Flow Field of Air Conditioning System of 280 Tons Mine Truck Cab

LIUYong,MALi,LIQiwen

The finite element model of air conditioning duct system of the 280 tons mine truck was established. The air outlet velocity was calculated by simulation under the condition of different air inlet velocity. Then the reasonable air inlet velocity was obtained. The overall model of the cab was simplified; and the flow field and temperature field were simulated by the choose of the air inlet velocity. The flow field and temperature field near the neutral plane and the lateral plane near the driver's seat and the driver's face were analyzed. The simulation results indicate that the cooling effect of the air conditioning system of the cab is in accord with the evaluation index of human comfort.

mine truck; cab; air conditioning system; flow field; temperature field

2015-07-18.

刘勇(1990-)，男，湖北鄂州人，武汉理工大学汽车工程学院硕士研究生.

2095-3852(2015)06-0860-05

A

TB657.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.043