太阳辐射下汽车仪表板热负荷的数值模拟与实验研究*

陈吉清，李丽芬，兰凤崇，揭敢新

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510641； 2.广东省汽车工程重点实验室，广州 510641；3.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 510300)



2015245

太阳辐射下汽车仪表板热负荷的数值模拟与实验研究*

陈吉清1,2，李丽芬1，兰凤崇1,2，揭敢新3

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510641； 2.广东省汽车工程重点实验室，广州 510641；3.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 510300)

为降低太阳辐射下仪表板的热负荷，基于热平衡方程，对在海南夏季天气条件下汽车的换热过程进行数值模拟，所算得的车内温度场与实验结果很好吻合。在此基础上，分析了不同传热方式等因素对仪表板温度场的影响。结果表明，辐射和传导是仪表板温度场的主要影响因素；减小前车窗玻璃透射率、放置遮阳挡、合理增加仪表板导热系数和选择适当的停车位置都能显著降低仪表板的热负荷。

汽车仪表板；热负荷；太阳辐射；导热系数

前言

汽车仪表板有多种功能，包括提供各种汽车状态信息,对汽车的安全行驶也起着重要作用。安装在汽车前车窗玻璃下的仪表板在自然暴露时受到太阳直接辐射，接收到不同波长的光辐射强度最大[1]，热负荷严重，在某些特殊高温环境下，表面温度能高达120℃以上[2]。长时间的高温作用，会损坏仪表板使用性能和寿命，加剧VOC挥发，恶化车内乘坐空间的热环境，降低乘坐舒适性。因此改善仪表板的受热情况，有利于延长使用寿命，提高汽车产品的综合竞争力。

国内外汽车自然暴露下仪表板的研究主要通过暴露实验，包括户外直接暴露[3]、玻璃框下暴露[4]、强制通风控温玻璃框下暴露[5]等。曝晒实验真实可靠，但比较费事且成本高。近年来太阳辐射下仪表板的热负荷数值研究越来越多。文献[6]和文献[7]中采用了蒙特卡罗法计算了车内太阳辐射量的具体分配，得到仪表板表面受到的太阳辐射再分配量；文献[8]中讨论了太阳辐射、空调出风口位置与角度对车内仪表板等零部件温度场的影响；文献[9]中采用计算流体力学和实验方法研究了停放在户外的汽车乘员舱热量的积累与分布,探讨了仪表板吸收的太阳辐射能量及其对乘员舱内空气温度的影响；文献[10]～文献[12]中采用数值方法研究了太阳辐射下车窗玻璃特性、表面吸收率和空调系统对仪表板温度场的影响。

为进一步探索仪表板在太阳辐射下的热负荷规律，以中国海南夏季某日的气象参数为条件建立数值计算模型，应用三维热仿真软件Radtherm计算自然曝晒下汽车零部件的温度场，分析太阳辐射下不同传热方式对仪表板温度场的影响，探讨不同车窗的玻璃参数和仪表板材料参数对其热负荷的影响，为改善太阳辐射下仪表板的高热状态提供参考。

1 数学方程的建立

自然暴露下的汽车部件通过热辐射、热传导和热对流进行传热，太阳辐射是主要的热量来源。计算模型为离散面网格模型，将车身离散为一系列单元，计算单元节点间和周围环境的热交换过程。汽车的零部件内部和相互接触的零部件之间热传导发生在相接触的节点间，则单元节点i的导热量为

(1)

在模拟仿真中，零部件厚度方向不划分网格，车身内壁面和外壁面是同一个单元中相对的面，因此车身单元内外壁面间传热量为

(2)

式中：Ti为节点i处的温度；λ为导热系数；A为接触面积；l为两节点的距离；m为与节点相接触的节点数量；i′是单元i对应的外壁面单元；δ为车身部件厚度。

汽车停放在户外时，车外零部件与自然风发生自然对流，车内零部件与车内空气发生对流。根据牛顿冷却定律[13]，流固壁面的对流换热大小与两者之间的温度差成正比，因此单元节点i的对流换热量为

Qconv,i=hA(Ti-Tf)

(3)

h=C1+C2v

(4)

式中：Tf为车内空气温度；h为表面换热系数，与气流流动状态、气流物理性质和换热表面几何因素有关，在计算中车身外壁面对流为自然风模式，C1和C2的数值取自McAdam’s平板模型，分别为5.7和3.8W/(m2·K)；v为车外气流相对速度。因为在自然曝晒实验时，车辆停止工作，车内是一个封闭的体积，车内零部件与车内空气发生的对流很微弱，因此将车内空气简化为具有统一温度值的空气节点，车内零部件的表面对流系数设为定值。

停放在户外的汽车车身外表面涉及的辐射包括太阳直接辐射、太阳散射辐射、天空辐射、环境辐射和车身表面辐射。节点表面辐射能量为

Qrad,i=Ai(αicosθGD+αiGd)+

(5)

式中：α为表面辐射吸收率；GD为太阳直射辐射密度；Gd为太阳散射辐射密度；θ为太阳直射角，是太阳直射光线和表面法线之间的夹角，随太阳高度角、方位、表面方位和表面倾斜角的不同而改变，入射角的大小影响表面接收到的太阳辐射量；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，其值为5.67×10-8W/(m2·K4)；Tsky为天空温度；Tsur为周围环境温度；Xsky为天空对单元表面的角系数；Xsur为周围环境对单元表面的角系数；ε为表面辐射发射率。

因为玻璃对太阳辐射具有强烈的选择性吸收，太阳辐射等短波辐射能穿透车窗玻璃进入车内，天空、大气和周围环境辐射为长波辐射则不能进入车内，同时车内吸热面常温下发出的长波辐射也无法从车内向外辐射。因此车内零部件表面受到的热辐射包括透过车窗直接照射在表面上的太阳直接辐射和散射辐射、其他表面反射的太阳辐射、其他吸热面发射的热辐射和表面本身热辐射。车内表面辐射传热能量为

(6)

式中：m为车内表面数量；τ为表面透射率，车窗玻璃透射率为小于1的常量，其他非透明部件的透射率为0；fj为单元j在单元i的面积投影因子；Xj为第j个单元i的角系数；ρ为表面反射率；Qsolar,j为太阳热辐射能量；Jj为第j个单元的有效辐射能量。

2 数值计算模型

本文中研究对象为某国产自主品牌三厢轿车，根据实车模型1∶1建立几何模型，车身长约4.0m，宽约2.1m，高约1.5m。因为实车结构复杂，为简化计算，节省计算资源，忽略几何模型中对汽车内外部件热负荷计算影响甚微的部件，如后视镜、扰流板和车门把手等，对仪表板、控制台等做平面简化处理。数值网格离散模型为面网格模型，见图1，由车身、地板、车窗、车门、仪表板和座椅等组成。汽车内外部件的温度随时间变化且梯度不大，因此在传热计算时可选用较大单元尺寸划分网格，选择大小为50mm的单元进行网格划分[11]，整车网格模型单元数为18 706个。数值计算模型车头朝向和实验一致。

为便于对比验证，仿真计算边界条件要尽可能与实验条件相符。所有的零部件模型都设定材料物性参数、表面特性参数和厚度，表1给出了数值模型几大主要零部件的物性参数和表面光学特性参数[14-17]。

表1中所列车身部件皆为单层结构，而车顶、地板和车门为多层结构，其壁面结构为：

(1) 车顶 其结构组成由外向内依次为钢板、聚氨酯泡沫塑料隔热层和PVC车顶内衬，厚度依次为1、1.5和1.5mm。导热系数依次为52.019、0.038 9和0.15W/(m·K)。

汽车部件材料密度ρ/(kg·m-3)热导率λ/(W·m-1·K-1)比热cp/(J·kg-1·K-1)发射率吸收率厚度δ/mm车身钢7785.25100.04448.830.740.125仪表板PC1200.000.131464.000.600.905控制台ABS996.350.171464.000.950.901.5座椅PU1030.000.251700.000.940.8015车窗玻璃2529.601.17754.040.950.165

(2) 地板 其结构组成由外向内依次为钢板、聚氨酯泡沫塑料隔热层和PVC地板革，厚度依次为3、2和4mm。导热系数依次为52.019、0.038 9和0.16W/(m·K)。

(3) 车门 其结构组成由外向内依次为钢板、气隙和聚碳酸酯隔热层，厚度依次为1.5、1.5和2mm。导热系数依次为52.019、0.026和0.299 4W/(m·K)。

仿真计算须确定汽车停放的地理位置参数，它由试验站的位置确定，试验站位于东经110°28′41″，北纬19°14′35″,海拔高度10m，位于东八区。表2为计算所需的天气边界条件参数，包括环境气温、相对湿度、太阳辐照强度、风速和风向，由实验测量得到，以软件所需的特定格式导入软件。

表2 部分时刻天气参数

3 实验验证和仿真结果分析

3.1 实验验证

实验在海南琼海湿热自然环境试验站进行，以某国产自主品牌汽车为实验对象在室外无遮挡进行曝晒。为使整车和尽可能多的零部件达到最严酷的自然曝晒状态，实验车辆的前车窗玻璃朝正南方向停放在平坦空旷的草地上，实验时汽车停止工作，车门、车窗及通风系统都处于紧密关闭状态。实验仪器为PC-2WS多通道温湿度记录仪，每隔10min记录一次温度。实验过程中天空晴朗，基本无云。在车内车外13个零部件表面分别布置了温度传感器测点。传感器固定方式有粘贴和插入两种，软表面试样的温度传感器为插入，其他表面试样的温度传感器为粘贴。图2所示分别为顶棚织绒布温度测点、发动机罩温度测点和仪表板温度测点，箭头所指处分别为顶棚织绒布温度传感器插入位置、发动机罩与仪表板温度传感器粘贴位置。

实验时间为一整天，但因为晚上20：00至早上6:00的太阳辐射强度为0，这段时间内仪表板热负荷较小且变化不大，为节省计算时间和资源，仿真计算时间为早上6：00至晚上20：00。

13个测点的最高温度计算值、实验值和两者偏差列于表3，可以看到两者基本吻合，相对偏差较小，皆在5%以下。图3为顶棚织绒布、发动机罩和仪表板的表面温度实验值与仿真值曲线，可以看出，三者仿真值和实验值的曲线变化趋势大致吻合，温度误差可能由计算模型简化和实验模型与计算模型的材料参数差异引起的。实验与计算结果基本吻合，说明计算模型和计算方法合理，计算结果有效。

表3 测点最高温度计算值与实验值对比

3.2 仿真结果分析

仿真能得到各时刻的零部件表面温度分布，图4是下午14:00时车内零部件的表面温度分布情况。从仿真结果可看出，自然曝晒下汽车仪表板的温度高达近100℃。因为仪表板安装在汽车前车窗玻璃的下方，太阳光透过车窗玻璃直接辐射在仪表板表面，受到太阳辐射量比车内其他零部件大得多，故仪表板承受更加严酷的热负荷。

图5是在表2的天气参数下由Radtherm软件计算得到的太阳辐射下仪表板不同传热方式传递的净热流量和表面平均温度曲线。结果表明，仪表板主要通过太阳辐射吸收能量，而通过传导、对流和表面辐射对外散发热量，因为车内处于封闭状态，空气流动少，所以对流换热方式最弱。仪表板表面温度高使得表面辐射换热成为其最主要的散热方式。通过减少投射到仪表板的太阳辐射能量和增加仪表板的散热能有效降低仪表板热负荷。

为研究前窗、侧窗和后窗对仪表板表面温度场的影响，设计了4组计算方案，分别改变前窗、侧窗和后窗的玻璃特性参数，计算4组方案下仪表板的表面温度场，以比较前窗、侧窗和后窗玻璃特性对仪表板温度场的影响。其中，方案a改变前车窗玻璃特性，方案b改变前车窗和侧车窗玻璃特性，方案c改变所有车窗玻璃特性，方案d改变侧车窗和后车窗玻璃特性。

因为玻璃的透射率、反射率和吸收率之和为1，而辐射吸收率保持为0.16不变，故只改变车窗的透射率即可，各方案车窗玻璃透射率见表4。

表4 车窗透射率

仿真计算后得到在不同方案下仪表板的表面平均温度，图6为不同方案的仪表板表面平均温度与初始方案的温差。可以看出，方案d只改变了侧、后两车窗的透射率，其温差较小，最大温差小于2℃；方案a、b、c的前车窗透射率均增加了0.2，但侧和后车窗透射率各不同，其温差明显高于方案d，且最大温差约为10℃。

由此可知，车头朝正南方向停放的汽车仪表板的表面温度受前车窗的影响非常大，而侧窗和后窗对其影响较小。因此，可通过对前车窗采取措施来降低仪表板热负荷。

改变前车窗的玻璃参数，计算不同前车窗玻璃配置下仪表板温度值，比较前车窗玻璃特性对仪表板温度值的影响。设计了4组透射率不同的前车窗玻璃，透射率τ分别为0.16、0.36、0.56和0.76，其中0.36为初始计算模型的前车窗玻璃透射率。

图7为4组参数不同的玻璃配置下仪表板吸收的太阳辐射净热流量曲线和表面平均温度曲线。可以看到，仪表板受到的太阳辐射变化趋势和温度变化趋势基本一致。太阳辐射热流量和温度随着前车窗玻璃的透射率增大而增大，透射率每增加0.2，投射到仪表板上的最大太阳辐射量增加约100W/m2，仪表板的表面平均温度最大值增加约9℃。因此，选用较小透射率的前车窗玻璃，能有效减少仪表板受到的太阳辐射，降低仪表板温度。低辐射玻璃的可见光透过率和普通玻璃差不多，不影响驾驶员可见性，但可以显著降低由热辐射产生的车内外热量交换[18-19]。因此前车窗玻璃可选用低辐射玻璃。

为研究遮阳措施对汽车仪表板的温度分布情况的影响，采用了在前车窗玻璃外覆盖遮阳挡，其厚度为5mm，材质为铝箔复合PVC，铝箔表面吸收率为0.08，辐射率为0.05。图8分别是前车窗玻璃透射率为0.36(初始模型)、0.16及放置遮阳挡下仪表板14:00时的表面温度分布，可见有遮阳挡时,仪表板的温度明显更低，说明遮阳挡有效阻挡了太阳光对仪表板的直接辐射,降低了仪表板的热负荷。

为研究太阳辐射下导热系数对仪表板温度场的影响，设其他物理特性不变，改变导热系数大小，从初始模型的导热系数0.13W/(m2·K)，增加到4.13和8.13W/(m2·K)，分别计算仪表板热负荷，结果见表5。可见当导热系数由0.13W/(m2·K)增加到4.13W/(m2·K)时，仪表板表面平均温度最大值下降约0.8℃，表面最高温度下降约4.5℃，表面最高温度与表面平均温度最大值的差值下降了约3.7℃。这是因为仪表板内部温度分布不均，产生热传导，热量由高温部分传到低温部分，导热系数越大，传热能力越强越快。因此采用导热系数较大的材料，将有利于热量在整个仪表板中的均匀分布，减少不同部位的温度差，从而减小温度应力。但当导热系数增加到8.13W/(m2·K)，表面平均温度最大值和最高温度几乎不变，表面最高温度与平均温度最大值的差值下降不足1℃。这表明合理的导热系数才能有效改善仪表板热负荷。

表5 不同导热系数下仪表板热负荷

仪表板的主要散热方式为表面辐射，发射率ε表征材料表面的热辐射能力的强弱。为研究太阳辐射下发射率对仪表板温度值的影响，在不改变其他物理特性条件下，只改变仪表板的发射率ε，选择一天中太阳辐射强度较大且仪表板温度较高的时间段12:00～16:00时，计算不同发射率下仪表板的表面平均温度，结果如图9所示。由图可见，改变仪表板表面发射率对其表面平均温度值有影响，却并不明显，发射率ε每提高0.1，表面平均最高温度降低约1℃。由式(6)可知，物体对外热辐射量是表面发射率的1次方，却是物体表面温度的4次方，对外热辐射量主要受物体表面温度影响,提高发射率并不能大幅度增加仪表板的对外热辐射量，故仪表板温度下降较小。

以上是汽车无遮挡户外停放时的结果。实际生活中，汽车停放的位置受周围环境影响。考虑到汽车经常停放在建筑物旁，分别在正西面和正东面距离汽车300mm处放置一堵宽5 000mm、厚200mm、高8m的砖墙，研究其对仪表板温度的影响。图10为有无墙壁遮挡时仪表板的温度变化。由图可见，汽车东面有墙壁遮挡时，上午仪表板的温度很低，但下午的温度却比无墙壁遮挡还略高，这是因为下午墙壁对着汽车的一面会反射太阳光到汽车表面，又由于墙壁吸收太阳光温度升高，本身会发射辐射热量，从而使进入车内的热量增加，仪表板温度升高。同理汽车西面有墙壁遮挡时，上午仪表板的温度比无墙壁略高。但仪表板的平均温度最大值要比无遮挡时低4.5℃，从13：00左右开始急剧下降。图11为汽车西面有墙壁时从13:00～14:00仪表板的温度分布。可见随着太阳的西移，仪表板上表面的高温分布区由西向东移动，并逐渐减小，到14:00时整个仪表板都处于温度较低状态。这是受到太阳方位的影响，随着太阳西移，直接照射在仪表板上的太阳辐射逐渐被西面的墙壁遮挡，因此仪表板热负荷有效减少。

4 结束语

太阳辐射是汽车仪表板的主要热源，传导、对流和表面辐射是仪表板的散热方式，其中表面辐射换热是其最主要的散热方式。通过减少投射到仪表板的太阳辐射能量和增加仪表板的散热能有效降低仪表板热负荷。

相对侧车窗和后车窗，仪表板温度主要受到前车窗的影响。降低前车窗玻璃透射率能有效降低投射在仪表板的太阳辐射净热流量和仪表板温度值。因此建议选用可见光透过率和普通玻璃透过率差不多、但可明显降低由热辐射产生的车内外热量交换的低辐射玻璃。停车时前车窗放置遮阳挡可显著改善仪表板的高热状态。

导热系数对仪表板表面热负荷有明显影响，合理增加导热系数，仪表板热负荷得到有效改善，选用导热系数合适的材料有利于仪表板温度均匀分布，减小热应力。

汽车的停放位置对仪表板热负荷有明显影响，选择合适的停车地点可有效降低仪表板热负荷。

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Numerical Simulation and Experimental Study on the Thermal Loadof Vehicle Dashboard Under Solar Radiation

Chen Jiqing1,2, Li Lifen1, Lan Fengchong1,2& Jie Ganxin3

1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641；2.GuangdongProvincialKeyLaboratoryofAutomotiveEngineering,Guangzhou510641；3.ChinaNationalElectricApparatusResearchInstitute,StateKeyLaboratoryofEnvironmentalWorthinessforIndustrialProducts,Guangzhou510300

For reducing the thermal load of vehicle dashboard, a numerical simulation on the heat transfer process of vehicle is carried out under the summer weather condition in Hainan based on heat balance equation, with an interior temperature field obtained well agreeing with experimental results. Based on this, the effects of different heat transfer modes and other factors on the temperature field of dashboard are analyzed. The results indicate that the radiation and conduction are the main factors affecting the temperature field of dashboard. Reducing the transmittance of front windshield, putting on sun visor, reasonably increasing the thermal conductivity coefficient of dashboard and selecting appropriate parking place can significantly reduce the thermal load of dashboard.

vehicle dashboard; thermal load; solar radiation; thermal conductivity

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

原稿收到日期为2013年12月30日，修改稿收到日期为2014年8月6日。