汽车乘员舱内温度场的数值仿真及试验研究＊

兰凤崇，魏 文，郭巧嫣，李丽芬

（1．华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2．中国计量学院 现代科技学院，浙江 杭州 310018；3．广东省汽车工程重点实验室，广东 广州 510640）

舒适环保是消费者购买汽车的一个重要的考虑因素，汽车乘员舱内的热舒适问题已经成为广大消费者、研究学者和汽车厂商关注的热点和焦点问题．车内小空间热环境和乘员热舒适性密切相关，车内的空气温度、相对湿度、气体流速和平均辐射温度等环境因素直接作用于人体体表，影响乘员的主观热舒适感觉．汽车空调是调节车内温度、湿度、空气清洁度和空气流动性的主要手段，也是提高乘员乘坐舒适性的主要途径．据统计，在城市行车中，85%的旅程在18km 以内，行车耗时约15～30 min［1］．文献［2］和文献［3］的研究表明，在不考虑人体散热的情况下，空调制冷模式开启后的10 min 和15 min内，车内温度变化相对剧烈，之后车厢热环境变化较小．可见，人们从外部环境进入车内后短时间内的热舒适感觉对整车的乘坐热舒适性评价是相当重要的．汽车空调系统应在尽可能短的时间内将乘员舱内的热环境调节至人体的舒适范围，还应避免因温度变化过快引起人体的热不舒适感．汽车空调的设计不仅要着眼于缩短使车内热环境达到稳定状态的时间和保证达到稳态后乘员的热舒适性，还应保证在升温或降温的动态过程中乘员的热舒适性．因此，研究自然暴晒中空调开启后乘员舱内热环境的变化规律，对提高整车的乘坐热舒适性、增强汽车的市场竞争力有重要意义．

太阳辐射、空调系统和人体散热是影响乘员舱热环境的主要因素．国内外学者就其中一个或某几个因素对乘员舱热环境的影响进行了研究．文献［4］将车身壁面温度设为定温，对比不同局部制冷策略下驾驶员的热感觉和热舒适性．文献［5］通过数值方法研究了空调出风的流量、速度和温度等流量参数和出风口面积、形状等几何参数对驾乘人员局部和整体热舒适性的影响．文献［6］比较有／无搭载人员两种情况下，空调冷却风射出角度对车内温度场和流场的影响．文献［7］通过试验分析湿度对车内温度及乘员热舒适性的影响．国内学者也针对轿车、客车等不同车型开展相关研究［8－10］．已有学者根据乘员热舒适性和车内温度场的要求来改进空调系统［11－12］．如芦克龙等［13］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，根据乘员的热舒适性对空调的风道设计进行改进，达到改善驾驶员热舒适性的目的．黄木生［14］构建了适用于评价微型车乘员舱乘员热舒适度的准则，在某款微型汽车的开发中得到应用．

本文结合数值仿真和物理试验对太阳辐射、空调系统和人体散热共同作用下乘员舱内热环境和人体体表温度的热响应过程进行研究，建立了乘员舱内的温度场－流场模型，包括乘员舱传热模型、车内空气流模型和人体散热模型，仿真得到乘员舱的稳态温度场和人体表面温度分布；在空调关闭的情况下对试验车辆进行1h的空车自然暴晒试验，紧接着试验人员进入副驾驶座开始30min的空调制冷试验，研究成果为设计高效的空调控制策略提供科学依据和理论指导，实现减小乘员舱热负荷、提升乘员的热舒适感觉的目的．研究成果对构建节能、舒适、安全的车内乘坐环境具有深远意义．

1 乘员舱内温度场－流场模型

1．1 物理模型

以某轿车车厢简化模型为研究对象，见图1．该车厢几何模型长2 610mm，宽1 715mm，高1 780 mm；副驾驶座上安装人体模型；空调系统的4个出风口对称布置在前排的仪表板上，中间2个、两侧各一个；空调回风口位于副驾驶座下方．

图1 车厢与人体几何模型Fig．1 Geometry model of passenger compartment and human body

1．2 数学模型

计算流体力学理论以3 个流动基本方程为基础，遵守质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律．乘员舱内空气的流动和热传递满足质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程．直角坐标系下这3个基本方程可分别表示为：

式中：ρ为密度；t为时间；x为坐标分量；i，j＝1，2，3，表示直角坐标中相互垂直的坐标方向；ui为速度矢量；P为流体单元受到的压力；τij为流体单元表面上的粘性应力分量；Fi为流体单元上的体力；T为温度；k为流体的传热系数；cp为比热容；ST为粘性耗散项．人体因新陈代谢会向外散发热量，本文将乘员简化成散热恒定的热源，热流密度为150 W／m2，不考虑服装热阻．

1．3 边界条件

边界条件的设置对数值仿真的结果有很大影响，应尽量贴合实际．参考已有研究成果，并考虑汽车实际的使用工况，设置的边界条件具体如下：

1）4个空调出风口采用速度入口边界条件，仪表板两侧的出风风速为7m／s、温度为290K，湍动能k＝0．184，湍动耗散率ε＝1．43；仪表板中间的2个出风口风速为10m／s、温度为290K，湍动能k＝0．175，湍动耗散率ε＝1．33；

2）空调回风口为压力出口，P＝101 325Pa；

3）车厢地板和车身定义为无滑移的壁面边界条件；

4）车窗、天花板、仪表板及座椅参与车厢内的对流、传导及辐射热交换过程，设为外部辐射边界条件；

5）选用DO 模型计算太阳辐射强度，认为车内空气是不可压缩的．

2 乘员舱内热环境仿真分析

仿真得到乘员舱内稳态温度场，见图2．人体模型的表面温度大多处于306～310K；两侧手臂由于受空调冷风直吹，温度较低，温度为298～300K；两侧肩膀和大腿根部的温度最高，约318K．汽车内表面的最高温度出现在后窗台的边角位置，约322K；仪表板靠近前风挡玻璃的位置也呈现出较高的温度．截取4个截面，研究乘员舱内的空气温度分布．具体位置是：截面Ⅰ，前排座椅侧前150mm 垂直剖面；截面Ⅱ，后排座椅侧前150 mm 垂直剖面；截面Ⅲ，副驾驶员位置纵向中剖面；截面Ⅳ，副驾驶员胸部水平剖面，见图3．

图4为各截面温度分布情况，4 个截面中温度波动都保持在4K 以内，乘员舱内车内稳态温度场的温度均匀性较好．截面I和截面Ⅲ均显示前、后乘员舱的脚部温度都比胸部和头部温度高出2K；截面I显示，两侧车门附近、高度相当于乘员小臂位置的空气温度低于其他位置的空气温度；截面Ⅱ中，各个位置的温度差异较小；截面Ⅳ显示乘员胸部水平面上车厢内各处的温度值，前仪表板温度较高，其他位置的温度基本相同．

图2 制冷工况下乘员舱内的稳态温度场Fig．2 Stable temperature field of passenger compartment under cooling condition

图3 截面示意图Fig．3 The sections

太阳辐射、空调送风方向和车内结构设计影响乘员舱内不同位置的冷却效果．驾驶座和副驾驶座的乘员外侧小臂位置受到冷却风的直吹作用，冷却效果明显，温度比肩部和脚部低．太阳光通过车窗玻璃直接照射在仪表板和后窗台上，二者吸收的热量较多；仪表板表面位于空调出风口上方，冷却风只能通过自由扩散达到该区域，对流冷却强度明显不足；空调出风口全都安装在前排的仪表板上；冷却风受到人体和座椅等固体区域的阻碍，到达后排时速度减小且因吸热而导致温度上升，对后排的冷却效果较差，在后窗台贴近后车窗的狭小空间内形成气流死角，冷却效果较差．冷却风流到后排时，方向性减弱而向各个方向发散，因而各个位置的冷却程度没有明显的差别．

图4 截面温度等值线图Fig．4 Section temperature contour map

3 乘员舱内热环境试验

试验在8月份某天的中午进行，试验用车停放在广州某户外停车场，室外温度34．3 ℃，相对湿度52．6%．试验人员穿着夏季服装（0．5clo）．试验分两个阶段连续进行：暴晒升温阶段，试验车辆以空车状态在户外进行1h太阳暴晒，期间汽车空调关闭；紧接进行制冷降温阶段，试验人员迅速进入副驾驶座，启动空调制冷模型，送风温度设为22 ℃，风量开至最大，水平方向送风，制冷持续30min．图5为试验现场的部分情况．

试验共布置13个温度传感器，其中有6个空气温度测点和7个零部件表面温度测点．为了准确测量分布在乘员舱各处的空气温度，在乘员的头部、胸部和脚部位置都布置了温度传感器，前后排各3个测量点；车内零部件表面温度的7个温度测量点分布在仪表板、天花板、前风挡玻璃、驾驶员侧的坐垫和靠背、副驾驶员侧的坐垫和靠背，具体的测点位置见图6．数据采集器每5s采集一次温度数据．

3．1 试验结果与仿真结果对比验证

各零部件表面温度和人体体表温度的试验结果与数值仿真结果对比如表1和表2所示．除了座椅外，其他位置的试验值和仿真值误差均控制在10%之内，整体上仿真计算结果与试验结果吻合较好，可认为符合工程计算的要求，验证了前述计算模型选择和边界条件设置的合理性和准确性．

图5 试验现场Fig．5 Test site

图6 温度测点分布Fig．6 Temperature sensors distribution

表1 零部件表面温度Tab．1 Parts’surface temperature

表2 人体表面皮肤温度Tab．2 Human body skin temperature

3．2 试验结果分析

3．2．1 暴晒升温阶段的试验结果分析

利用Matlab对采集到的温度数据进行曲线拟合．暴晒升温阶段车内没有搭载人员、空调关闭，乘员舱温度主要受太阳辐射的影响．

车内空气平均温度和零部件表面平均温度的变化如图7所示，该组数据通过对测点温度进行算术平均得到．在太阳下暴晒1h后，车内空气平均温度和零部件表面平均温度分别达到了44 ℃和49 ℃．各零部件表面温度变化如图8所示．由于仪表板受到通过车窗玻璃的太阳光直射，所以其温度始终高于前挡风玻璃和天花板，最高温接近65 ℃；前挡风玻璃透射太阳光，吸热量较小，最高温约50℃；无法接受太阳直射的天花板最高温只有46℃．驾驶员侧坐垫和靠背的温度都高于副驾驶员侧对应位置的温度，温升速率也快于副驾驶侧．太阳光主要从驾驶员侧车窗玻璃进入车厢内部，导致正驾驶和副驾驶两侧的座椅表面温度差异较大．图9和图10分别为乘员舱前排和后排的垂直方向上的空气温度变化．前排和后排垂直方向的温度场分布基本相同，温度从低处往高处逐渐增加，脚部、胸部和头部温度分别约为37 ℃，47 ℃，19 ℃．随着暴晒时间的增长，垂直方向上的温差也逐渐拉大．暴晒初始，头部位置和脚部位置的温度差约5℃，而在暴晒后期，温差增大到12 ℃左右．造成这种差异的主要原因是车门阻挡部分太阳辐射，使脚部位置空气的受光量较小，所以温度上升幅度较小．在暴晒结束时，仪表板表面的温度最高（65 ℃），前、后排脚部位置的温度最低（约37℃），说明车内热环境整体温度较高、区域温度差异性十分明显．如果不能在短时间内有效地降低乘员舱内的温差和高温状态，将会对前后排的乘坐热舒适性造成极大影响．

图7 暴晒升温阶段零部件和空气平均温度变化Fig．7 Average temperature change of parts and air during heating

图8 暴晒升温阶段零部件表面温度变化Fig．8 Surface temperature change of parts during heating

3．2．2 制冷降温阶段的试验结果分析

在制冷降温阶段乘员舱热环境受太阳辐射、冷却风和人体散热3个因素的综合影响．

如图11所示，在整个降温过程零部件表面平均温度始终高于空气的平均温度．在制冷的初始阶段（10min内），零部件和车内空气的平均温度均出现大幅度下降，分别降低10℃和17℃，零部件的表面温度变化曲线相对平缓．在随后的20min降温过程中，零部件表面温度和车内空气温度变化较小，可认为车内的热环境达到平衡状态．

图9 暴晒升温阶段乘员舱前排空气温度变化Fig．9 Front cabin air temperature change during heating

图10 暴晒升温阶段乘员舱后排空气温度变化Fig．10 Rear cabin air temperature change during heating

各零部件表面温度变化如图12所示．在降温过程中，仪表板的温度始终高于前风挡玻璃和天花板，且降温幅度最大，约25 ℃，前风挡玻璃和天花板降温约20℃．因为温度传感器夹在人体与座椅表面之间，导致热量无法散出，所以副驾驶座座垫和靠背的温度变化不大，温度与人体体温相近，约37℃．驾驶座位置上的座垫和靠背出现了明显的温降，分别降温约19 ℃和20 ℃，温度变化主要集中在制冷阶段的前10min内．

乘员舱前排和后排的空气温度变化分别如图13和图14所示．前排脚部的空气温度始终高于前排胸部位置和头部位置的温度，前10min内前排的空气温度下降很快，尤其是头部位置和胸部位置的空气温度，这与空调冷却风的出风角度有关．前排胸部位置接近水平射出的冷却风高度，对流传热强度最强，降温效果明显．头部和脚部的空气未受到冷却风的直接作用，其温度变化主要受太阳辐射的影响．当空气温度达到稳定时，前排垂直方向上的温度差约5℃，比空调关闭时减少了7℃，说明冷却风能有效提高前排的温度一致性．后排脚部位置温度与头部位置、胸部位置的温度变化趋势相似，温差较小，但温度值比前排高，与仿真结果吻合．

图11 制冷降温阶段零部件和空气平均温度变化Fig．11 Average temperature change of parts and air during cooling

图12 制冷降温阶段零部件表面温度变化Fig．12 Surface temperature change of parts during cooling

图14 制冷阶段乘员舱后排空气温度变化Fig．14 Rear cabin air temperature change during cooling

4 结 论

结合数值仿真和物理试验对汽车乘员舱内温度场变化规律进行研究，建立乘员舱内的温度场－流场模型，计算制冷工况下乘员舱内的稳态温度分布，通过试验验证仿真结果，并通过对比空调制冷关闭／开启2种情况下汽车乘员舱热环境的动态变化规律，分析太阳辐射、人体散热和空调系统对乘员舱温度场稳态分布和动态变化规律的影响．

太阳辐射对乘员舱热环境的影响在空调系统关闭时较为突出，太阳光照射的时间越长，乘员舱垂直温差越大，暴晒升温过程中，头部和脚部位置的温差从5℃增加到12℃，会给人体造成强烈的瞬时热冲击，引起乘员的热不舒适感．人体会阻碍空调风的流动，但人体散热对乘员舱温度分布的影响可以忽略．

空调系统的出风口位置和送风方向对乘员舱热环境和乘员体表温度有决定性的影响．空调出风口全布置在前排仪表板上，对前排的冷却效果优于后排，能不同程度地降低前、后排垂直温差，对后排空间的冷却程度较一致；受到冷却风直吹的人体部位呈现较低温度，乘员体表出现明显温差；在制冷的初始阶段（＜10min），乘员舱内温度变化剧烈，这段时间内乘员可能因冷却效果不佳、冷却时间过长或降温过快而产生热不舒适感．

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