老化试验过程中汽车内外表面传热特性和温度场变化的研究*

陈吉清，郭巧嫣，李丽芬, 揭敢新，王俊，张晓东

(1. 华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640； 2. 中国电器科学研究院工业产品环境适应性国家重点实验室，广州 5106631)



2015213

老化试验过程中汽车内外表面传热特性和温度场变化的研究*

陈吉清1，郭巧嫣1，李丽芬1, 揭敢新2，王俊2，张晓东2

(1. 华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640； 2. 中国电器科学研究院工业产品环境适应性国家重点实验室，广州 5106631)

针对目前汽车气候老化研究仍处于耗时长、成本高、操作难度大的试验阶段，在时间和空间上都是离散的试验数据，无法全面、准确地描述汽车整车或零部件的抗老化性能的问题，提出了一种汽车气候老化的数值研究方法。基于汽车整车气候老化试验，在考虑了自然环境因素(如太阳辐射、水分、气温、风速等)，车内热辐射的多次反射和车内空气吸热、传热的影响的条件下，建立了自然曝晒下汽车内外表面的传热模型，并进行仿真和测试，仿真结果与测试数据基本一致。仿真和测试的结果，得到了车身外表面温度分布和传热特性及其主要影响因素，对比了热辐射、热对流和热传导3种传热方式的强度和总传热量，确定了零部件表面温度场中局部高温点、低温点的位置。该数值方法和仿真模型可用于预测和评估各种典型气候下汽车的耐候性。

汽车耐候性；老化试验；传热特性；温度场

前言

老化试验是检测和评价各种典型气候环境中汽车整车和零部件工作性能和使用寿命的环境试验。世界汽车工业的快速发展和汽车消费市场竞争日益激烈带动大量的汽车气候老化研究。通用、福特和大众等都已经建立了公司内部气候老化试验标准[1-2]。国内部分汽车企业也开始了以控制零部件的老化性能为主、整车户外曝晒评价为辅的汽车内外饰材料耐候性和耐老化性试验[3-7]。户外气候老化试验结果最接近汽车实际使用情况，但试验研究方法存在耗时长、成本高、操作难度大等缺点，阻碍了汽车零部件老化机制研究的深入开展。

汽车的气候老化试验要求在典型的自然气候条件下进行，试验车辆要在代表沙漠气候、湿热气候和酸雨环境等典型气候的试验场中接受长达1～2年的户外曝晒，试验条件要求苛刻、操作难度大、成本高，时间跨度大；由于天气变化无法控制，所以试验的重复性差；由于无法对汽车表面温度变化进行定性的预测，导致试验布点、测量周期和测量规模的制定缺乏科学的依据，离散的试验结果不能准确、全面地反映汽车零部件的老化程度。

上述问题限制了对汽车老化机制的深入研究、拉长了新车型的开发周期、增加了新车的开发成本，不利于建立我国统一的汽车气候老化试验及评价技术标准。随着计算机技术的发展和对热问题研究的深入，数值方法在汽车热问题上已有所应用，主要集中在分析汽车内部空间的热流场[8-10]，但缺乏对汽车零部件表面传热特性和温度场的研究。汽车气候老化研究往往更关心在长时间不同气候条件的影响下，汽车表面温度场的分布和极端温度工况。这方面国内外尚未有更深入的研究探索。零部件表面的温度和吸收的太阳辐射能是加速汽车老化的主要因素，也是预测、评价汽车整车和零部件抗老化性的重要指标。

本团队与工业产品环境适应性国家重点实验室合作，在气候老化试验方法和试验数据的基础上提出汽车外表面热响应的数值研究方法，建立了自然曝晒中汽车内外表面的传热模型，考虑了自然环境因素(如太阳辐射、水分、气温和空气流速、流向等)，车内热辐射的多次反射和车内空气吸热、传热的影响，应用三维热仿真软件RadTherm模拟计算自然环境中汽车部件表面热传递过程，得到汽车部件表面的吸热、散热情况和温度场的变化，对比热辐射、热对流和热传导3种传热方式对汽车外饰件表面温度场的影响，分析重要零部件表面的传热特性、温度场分布、高温区和低温区等影响汽车老化的重要参数。仿真结果用于指导零部件选材和制定汽车气候老化试验方案，合理选取重要零部件表面温度监测点位置和数量，从而实现减少试验耗时和成本的目的，推动对汽车整车和零部件老化机制的深入研究。

1 汽车整车气候老化试验

汽车气候老化试验包括整车气候老化试验、零部件气候老化试验和材料气候老化试验，又可细分为自然暴露试验、自然加速暴露试验和人工加速气候老化试验等。本文将对典型湿热气候下的试验是在海南琼海自然环境下进行的。

暴露试验场远离工业区和居民区，以免受到腐蚀气体和杂质的作用。它配备完美的排水系统，能及时排除雨水，防止在停车处形成局部小环境气候。试验车辆停放在平坦空旷的草地上，远离建筑物和树木。此外，为了使整车尽可能处于最严酷的状态，车辆的前风窗玻璃朝向正南方，且试验车辆之间互不遮挡阳光，间隔距离至少为其相邻车辆最高高度的3倍，保证通风。试验时，车门、车窗和通风系统紧密关闭，卷起遮阳帘等遮光物。

2 自然环境下汽车传热模型

2.1 几何模型建立

以某轿车为原型，创建几何模型。模型长3 988mm，宽2 085mm，高1 479mm，包括车内、外零部件共49个，见图1。为了减小建模的工作量和数值仿真的计算量，忽略了车门把手、换挡杆等零部件。

2.2 数值模型建立

2.2.1 天气数据参数

太阳辐射、温度和湿度是影响汽车气候老化的主要环境因素。空气中的尘埃、污染物和霉菌等二级因素也会加速汽车零部件的老化，但影响程度较小。材料的老化是环境因素和二级因素共同作用的结果，且其中的影响机理因材料不同而存在差异。

我国幅员辽阔，气候条件区域性明显，汽车既可能在海南的炎热天气下工作，也可能在黑龙江的严寒天气下工作。不同天气条件下汽车部件表面热负荷的仿真方法和仿真过程基本一致，所以本文中只对汽车在我国高温户外停放时其外表面对环境负荷的热响应进行仿真。将南方夏季某天的天气信息以特定的格式导入RadTherm中，这些信息涵盖了大气温度、相对湿度、太阳辐射强度、环境风速与风向和降雨量等信息。另外，还可选用软件自带的太阳模型，模拟再现大气温度、湿度、太阳辐射强度、风向、风速、云层厚度、长波红外辐射强度和降雨量等气象变化。

RadTherm已用于建筑窗户玻璃、汽车发动机舱等方面的热问题[11-15]，在太阳辐射下汽车表面的热负荷上也有应用[16-17]。

2.2.2 传热数值模型

辐射、对流和传导是3种基本的热传递方式，当然也存在于自然暴露下的车身外表面热响应过程中。太阳光是汽车零部件在户外自然环境中停放时的主要热量来源，RadTherm通过用户导入的气象数据或自带太阳模型模拟真实的太阳辐射。车身外表面受到太阳的直射及散射、经云层过滤后的天空辐射和环境辐射等，由于在进行老化试验时汽车停放在空旷的草地上，所以忽略树木、建筑物的遮挡和环境辐射。汽车内饰件则受到通过车窗玻璃的太阳光的照射。除了受太阳辐射的影响，汽车零部件之间也始终在进行着相互的热辐射。辐射传热量为

φr,i=Ai(αicosθiGD+αiGd+

(1)

式中:i和j为网格单元编号；A为面积；α为辐射能吸收率；θ为太阳直射入射角；GD为太阳直射辐照密度；Gd为太阳散射辐照密度；σ为史蒂芬-玻尔兹曼常数；Fs为网格单元与天空的角系数；TS为天空温度；m为汽车外表面单元数；Fij为单元j对单元i的角系数；ε为表面辐射发射率。

先进的光线跟踪算法是RadTherm软件的一大特点，该算法用于计算角系数，可模拟多次反射的热辐射现象。角系数是辐射传热计算中一个重要几何因子，表示某表面散发的辐射能落到另一表面上的百分比。角系数与物体表面的温度及发射率无关。RadTherm中，角系数的计算精度取决于单元上的视点数和从视点发射的射线数。RadTherm先将网格单元划分成多个子区域，然后在每个区域内布置一个或多个视点，三角形和四边形网格单元的视点数最多可达48个和64个，示意图见图2。用户还可以调整每个视点所发出的射线数量。网格单元所发射的射线总数越多，角系数的计算精度就越高，但计算速度也会相对变慢。在本计算模型中，每个面网格单元只有一个视点且只射出一条射线。

根据流体流动的起因、有无相变、流动状态、流体的物理性质和换热表面的几何因素，可将对流传热现象划分成多种类别。针对对流传热情况的复杂多样，RadTherm内置了多种对流传热模型，可以模拟无对流传热、小湍流强度对流传热、线性对流传热和幂律对流传热等热交换过程。用户选择研究对象的表面的对流传热形式后，Radtherm通过其自带的对流传热函数库计算得到对流传热系数。

汽车外饰件与流过其表面的空气、雨水发生对流换热，将其表面的对流模式设置为自然风模式(WIND)，RadTherm会根据自然风的风速、风向和零部件的几何特征来计算实时的对流传热系数。自然风模式下又有线性对流传热、小湍流强度对流传热和幂律对流传热3种传热模型可以选择。线性对流传热模型中对流传热系数随着流体流速的加快而增大，可用于模拟汽车行驶时表面的对流传热过程。汽车外表面的对流传热系数为

h=C1+C2v

(2)

对应的对流传热量为

φc,i=Aih(Tf-Ti)

(3)

式中:C1和C2为常数，取麦克亚当竖平板对流模型中的数值，C1=5.7W/(m2·K)，C2=3.8W·s/(m3·K)；v为空气流速；Tf为流体温度。老化试验时，车门、车窗紧闭，车内空调关闭，车内零部件表面与车内空气之间的对流强度微弱，所以将车内空气简化成各处温度相同、静止的空气团，将零部件表面的对流换热系数设定为1～3W/(m2·K)之间的恒定值。

热传导发生在零部件的内部、表面及相互接触的零部件之间。RadTherm中常用的模型类型有单面模型、标准双面模型、高热导率模型和多层模型等。单面模型中，物体的一个表面处于绝热状态，不发生热传递，而且在厚度方向也没有热量的流动。标准双面模型和多层模型中在两个表面上和内部都有热量的流动。相邻零部件间的热传导受它们的结构和接触方式影响。在进行仿真计算时，不同结构的零部件间热传导方式如图3所示。

网格单元的传导传热量为

(4)

式中:λ为导热率；n为与单元i相接触的单元数；k为与单元i相接触的单元编号；Aik为单元i与单元k的接触面积；lik为单元i与单元k的中心距。

车身外表面还受到地面的直接辐射，在没有太阳辐射的晚上，地面直接辐射的影响更为突出。因此紧贴4个车轮创建了地面模型。

2.2.3 零部件材料参数

汽车轻量化是当前的一个热点研究课题，汽车塑料化是实现汽车轻量化的一个重要手段。汽车内饰件大多使用塑料制造，且塑料的使用正向车身覆盖件和结构件扩展。表1是部分零部件制造材料和热物理参数。材料的密度和比热影响物体的热容量，同体积的物体密度和比热越大，则其热容量越大。当吸收或放出等量的热量时，大热容量的物体温度波动小。热量在物体内部的传导速度受热导率的影响，热导率越大热量扩散越快，温度越均匀。顶棚、地板和车门一般由多层材料组成，在满足具备支撑、承载等要求之余，还起到隔热和隔音作用。表2为顶棚各层结构的材料参数。

表1 部分汽车零部件的材料参数

表2 顶棚各层结构的材料参数

3 试验验证与仿真结果分析

由于在夜间没有受到太阳光的照射，车身外表面处于低温、小波动状态，所以忽略这一时段内环境因素对零部件老化的影响。只对3：00-23：00时段内车身外表面在自然环境因素作用下的传热情况进行仿真计算。

3.1 试验验证

对试验车辆进行了整车自然暴露试验，采集车身外饰件的表面温度变化，与仿真结果进行对比。暴露试验在我国南方典型的湿热气候下进行，试验条件如上所述。9个零部件表面最高温度的仿真值与实测温度值的对比结果见表3，右前车灯与右后车灯的相对偏差较大，但其绝对值仍小于10%，可认为仿真结果与试验基本一致。

零部件名称仿真值/℃试验值/℃相对偏差/%前保险杠63.459.46.73右前车灯46.851.9-9.83后视镜镜框57.857.70.17右后车灯50.455.4-9.03前轮护罩40.743.9-7.29后保险杠58.661.3-4.40车顶密封条73.174.0-1.22车顶中部74.574.7-0.27发动机罩75.375.8-0.66

3.2 车身外表面太阳辐射和平均温度变化

图5为3：00-23：00期间发动机罩、车顶和行李箱盖表面平均温度随时间的变化曲线。由图可见，发动机罩、车顶和行李厢盖的表面平均温度变化趋势相似，且最高温度均在70～75℃范围内。零部件所吸收的热量主要来自太阳光，其温度受太阳辐射的影响较大。6：00之前和20：00以后太阳辐射强度为零，在这两个时段内，零部件的温度相对较稳定；6：00过后，太阳光逐渐强烈，零部件表面温度也随之上升；中午时分，太阳辐射强度达到最大，零部件表面也相应地达到最高温；午后，太阳辐射强度不断减弱，零部件表面温度也逐渐下降。车身的储热能力小，在自然环境中受到风速、风向等时变因素的影响，因此零部件表面温度在增大或减小的过程出现了温度波动。

3.3 汽车外表面传热特性

图6和图7分别是发动机罩和前保险杠表面的传热强度(即热流量)和温度变化曲线。热流量是单位时间内通过某一给定面积的热量，是面积、温差和热物理参数的函数。当物体从周围吸收热量时，热流量为正值，反之则为负值。两者的表面温度平均值都是在接近14:00时，达到最大值。发动机罩表面最高平均温度74.5℃，前保险杠表面最高平均温度51.7℃。前保险杠表面吸收的太阳辐射能曲线有较大波动，在9：00-11：40不足3h的时间内，从359.7降至182.0W，降幅近一半。其表面温度也相应逐渐降低，但由于对流散热量和辐射散热量也出现不同程度的减少，反而使前保险杠表面在14:00左右出现一个温度高峰。而发动机罩表面的太阳辐射能变化平缓，在11：15时达到最大。前保险杠的水平倾角接近90°，发动机罩的水平倾角极小。这说明车身外饰件表面的水平倾角越大，越容易引起其表面太阳辐射能大幅波动，如果长时间在大的太阳辐射能变化下运行，可能加速零部件的老化。

物体与周围环境的温差影响热交换的强度，不同传热方式受影响程度不同。在相同的温度下，发动机罩表面的对流传热强度最大，其次是辐射传热，而通过传导传热强度最小。

图8和图9分别显示了发动机罩和前保险杠表面的吸热量和散热量随时间的变化情况，从中可以分析不同传热方式对零部件表面散热的贡献。仿真时段内，发动机罩和前保险杠分别吸收太阳辐射能531.3和134.8kJ，这主要是由于两者表面积的差异造成的。

对比图8和图9可知，不同传热方式对发动机罩和前保险杠表面热交换的作用和贡献大小不同。发动机罩表面的辐射散热量、对流散热量和传导散热分别是244.4，233.9和52.9kJ，分别占总散热量的46%，44%和10%。前保险杠表面的辐射、对流和传导散热量分别是55.6，79.4和-0.3kJ，分别占总散热量的41.3%，58.9%和-0.2%。热辐射和热对流是发动机罩和前保险杠向外散热的主要途径。对于减小发动机罩表面的热负荷，热辐射和热对流的作用基本持平，但在前保险杠的散热过程中，热对流的作用明显要大于热辐射。相比之下，热传导对零部件表面散热作用要小得多，甚至前保险杠还通过热传导方式吸收少量的热量。

3.4 车身外表面温度场

仿真还得到各个时刻汽车零部件表面温度分布，图10为13:00时车身外表面的温度分布情况。图11和图12分别是发动机罩和前保险杠在8:00,11:00,14:00和17:00时的表面温度分布情况。图10和图11(c)中，发动机罩中部出现了较明显的高温区，表面温度梯度较大。在其他时段，发动机罩表面的温度总体分布较均匀，未出现明显的高温区或低温区。因此，温度传感器应布置在发动机罩靠近中部的位置。而前保险杠表面的温度不均匀程度较高，低温点出现在两侧，11:00和14:00时其中上部出现了高温区。

4 结论

基于汽车整车气候老化的试验方法和试验数据，建立自然曝晒下汽车内外表面的传热模型，对湿热气候下零部件表面的传热特性和温度场变化进行仿真。仿真结果与离散的温度测试数据基本一致，并得到任意时刻、任意位置车身外表面传热特性、温度分布和太阳辐射能分布的变化情况，对比分析热辐射、热对流和热传导对零部件表面温度场的影响强度和机理，确定零部件表面局部高、低温的位置。研究表明该数值方法极大地弥补了汽车气候老化试验方法的不足，为制订老化试验方案和零部件选材提供指导，降低开发成本、缩短开发周期；该方法还可应用于各种自然气候下和人工加速老化试验中汽车零部件抗老化性能的研究。

车身外饰件表面的水平倾角越大，越容易引起其表面太阳辐射能的大幅波动，可能会加速零部件的老化。水平倾角接近90°的前保险杠在9：00-11：40不足3h的时间内，表面的太阳辐射能从359.7降至182.0W，降低近一半。而水平倾角接近为零的发动机罩没有出现明显的表面太阳辐射能波动。

热辐射、热对流和热传导的强度和传热量等汽车零部件材料的传热特性决定了其表面的温度分布，但对不同的零部件的影响存在差异。对于汽车外饰件而言，热辐射和热对流是零部件散发热量、减小热负荷的主要途径，而热传导的作用较小。发动机罩表面总散热量中辐射传热占46%，对流传热占44%，传导传热占10%，而在前保险杠总散热量中的比例分别是41.3%，58.9%和-0.2%。

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A Research on the Heat Transfer Characteristics and Temperature Field Change of Vehicle Internal and External Surfaces During Ageing Test

Chen Jiqing1, Guo Qiaoyan1, Li Lifen1, Jie Ganxin2, Wang Jun2& Zhang Xiaodong2

1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,SouthChineUniversityofTechnology,Guangzhou510640;2.StateKeyLabofEnvironmentalAdaptabilityforIndustrialProducts,ChinaElectricApparatusResearchInstitute,Guangzhou510663

In view of the problem that the current researches on vehicle weathering aging is still at an experimental stage with the features of time consuming, high cost and difficult operation, and test data, being discrete in both time and space domains, cannot thoroughly and accurately describe the aging resistance performance of vehicle and its components, a numerical research method for vehicle weathering aging is proposed. Based on vehicle weathering aging test and under a condition of considering the effects of natural environmental factors (solar radiation, humility, air temperature and wind velocity) and the multiple reflection of heat radiation and air heat absorption and transfer within the vehicle, a heat transfer model for both interior and exterior surfaces of vehicle under the natural exposure to the sun is built, and both simulation and test are conducted with the results coincide to each other. As a result, the temperature distribution and heat transfer characteristics of the exterior surfaces of vehicle body and their main influencing factors are obtained; the intensities and total amounts of three modes of heat transfer (heat radiation, heat convection and heat conduction) are compared; and the positions of local high and low temperature points in the surface temperature field of components are located. The numerical method proposed and simulation model built can be used for predicting and evaluating the weather resistance of vehicles under various typical weathers.

vehicle weather resistance; ageing test; heat transfer characteristics; temperature field

*国家自然科学基金(51375170)和工业产品环境适应性国家重点实验室开放基金资助。

原稿收到日期为2014年4月11日。