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基于matlab的汽车乘员舱热负荷建模及仿真

2018-01-09李建民吴柳燕尤宝锋

汽车实用技术 2017年12期
关键词:车座出风口风量

李建民,吴柳燕,尤宝锋

(安徽江淮汽车集团股份有限公司,安徽 合肥 230022)

基于matlab的汽车乘员舱热负荷建模及仿真

李建民,吴柳燕,尤宝锋

(安徽江淮汽车集团股份有限公司,安徽 合肥 230022)

文章介绍了使用matlab 的Simscape模块建立汽车乘员舱热负荷瞬态模型的基本结构。所建模型可通过输入不同制热量和制冷量来模拟汽车空调不同控制状态下的乘员舱热负荷。

乘员舱;热负荷;瞬态模型

前言

近年来,随着仿真技术的不断成熟,尤其是matlab模型凭借其较高的准确性、较好的可扩展性而被广泛应用于汽车设计中。汽车乘员舱(以下简称乘舱)热负荷状态作为汽车空调设计的重要参考因素,通常采用常规计算和实车测定来得到。常规计算时,为简化计算,一般仅考虑影响较大的环境参数,所得结果误差较大。实车测量时,工作量和数据量较大,可读性较差。而仿真模型则兼顾了准确性和可读性两方面。采用matlab建立仿真模型,已成为整车热负荷状态计算的重要手段。

1 建模基本原理

本文使用matlab的Simscape模块建立乘舱的热力瞬态模型,模型中将乘舱对称分为左右两部分,左侧与右侧的空气均划分为11个气团,分别为前挡风玻璃气团、前门玻璃表面气团、前座上部气团、前座中部气团、前座底部气团、后门表面气团、后座上部气团、后座中部气团、后座底部气团、尾部气团及尾门表面气团。用气团之间的对流传质以及气团与车座、车内包络面之间的对流换热来建立车内的热负荷瞬态模型。图1是气团之间对流传质以及气团与车座之间对流换热的原理图。

图1 气团之间对流传质以及气团与车座之间对流换热的原理图

采用simscape中相应的模块分别表示气团,玻璃,车座以及对流传质过程,搭建初始的车内热负荷模型如下图:

图2

2 自定义模块

Simscape自带的模块并不能满足乘舱热负荷建模的要求,因此需要采用simscape语言自定义一些模块。

2.1 环境模块

模型中汽车空调的热风/冷风从出风口进入乘舱,从车尾离开乘舱进入环境。Simscape自带的环境参考模块默认温度为 20℃,因此需要修改环境参考模块使其能够设定环境温度。

2.2 出风口模块

Simscape自带的风量模块的出风温度和出风量为常量,但汽车实际的出风温度和出风量不断变化。自定义的出风口模块可以从matlab的workspace中读取随时间变化的出风温度和出风量。出风量模块如图所示,图3中分别从workspace中读取温度和流量值传递到风量模块,从而设定出风温度和出风量。

图3

2.3 辐射模块

Simscape中自带的辐射模块过于简单,无法直接使用。汽车在行驶过程中接收的太阳的辐射不仅与太阳辐射强度、太阳高度角和方位角有关,而且相同太阳辐射条件下汽车不同部件接收的太阳辐射也不同,所以必须针对汽车不同部件设计不同的辐射模块。由于太阳辐射的影响,车外的综合空气温度比环境温度高,对计算车外包络面与环境的对流换热有影响,因此辐射模块同时计算车外综合空气温度。

1)车外表面收到的辐射= 太阳直接辐射+天空散射辐射+地表反射的太阳辐射

其中Idir是太阳照射在水平面的直接辐射,I是太阳入射角,θ是任意表面的倾斜角,β是太阳高度角,γ是太阳表面方位角,太阳偏向车辆左侧时为正,右侧为负。

其中I-sca是水平面上的天空散射辐射

其中ρ是地面发射率,一般取为0.2

2)车外表面吸收的太阳辐射

其中S是外表面面积,α是外表面吸收率,ε是外表面发射率

3)车外空气综合温度:由于太阳辐射的原因,车体外表面的空气温度提高,不能简单用环境温度代替。

其中T-atm是环境温度,ρ是车体外壁的吸收率,αw是车体外侧对流换热系数,ε是车外表面的长波辐射系数,约为0.98,△R是车外表面向外界发射的长波辐射和由天空及周围物体外表面的长波辐射之差,对于车顶一般取 3.5~4℃,而车底则由地面长波辐射与车底长波辐射之差来计算△R,其他车外平面取0。

4)车内部件收到的辐射

仪表板收到的辐射:

其中ω是仪表板收到的辐射占前挡风玻璃透射的总辐射的比例,其余的辐射投射到前车座和车门,仪表板反射的辐射全部传到车顶。其中d为仪表板的宽度,l为前挡风玻璃的宽度前车座收到的辐射:

其中ε是车座收到的辐射占前挡风玻璃透射的总辐射的比例

车顶内部收到的辐射为仪表板和车座反射辐射的总和。

人体散热量按照头部30W,身体60W,腿部37W共117W分别加入上部、中部和底部气团。

自定义辐射模块如下图:

图4 自定义辐射模块

2.4 建立乘舱瞬态模型

在初始乘舱热负荷模型的基础上完善乘舱外包络面,采用自定义部件并对称建立汽车左右侧模型,如图5所示。

图5

3 标定过程

3.1 确定模型中固定量

先结合车辆的数模,确定模型中各个部件的尺寸。然后根据汽车部件的材料确定其导热系数、比热容,透射率、反射率等属性。为保证其准确性,后续的模型标定中还需要进一步修改。如下是模型中估算的部分材料热物性参数:

表1 热物性参数

3.2 变量标定

根据实验数据标定不同工作模式以及不同工况点对应的对流换热系数,采用插值法确定所有工况点对应的对流换热系数。

1)通过实验获取汽车在夜晚怠速工况下的运行数据,然后设定模型中各部件及气团的初始温度以及环境温度。

2)将实验采集的出风温度和出风量转换单位后输入到模型

3)从鼓风机供应商获取鼓风机电压与各出风口风量的关系曲线,如图六是制冷模式下,左、左中、右中、右共4个出风口鼓风机电压与各出风口风量的对应数据。

图6 出风口风量

从图中可以看出,出风量与鼓风机电压基本成正比。通过拟合的曲线将实验数据中的鼓风机电压值转换为各出风口的出风量输入到模型中。

4)运行模型得到模型中的气团温度变化,与实验的实际温度变化对比,从中查找原因,修改对流换热系数以及汽车车身、座椅等部件的物性参数。

图7 前座上部气团与前座中部气团

上图为模型中前座上部气团与前座中部气团的仿真数据,对比实验数据,其变化趋势及数据满足要求。

3 结论

本文主要介绍了使用matlab的simscape模块建立乘舱热负荷模型的方法,通过建立自定义模块,实现模型的可扩展性,并结合实验数据来标定模型参数,最终满足仿真数据的准确性和实用性要求。

[1] 王广军,辛国华.热力系统动力学及其应用.[M]科学出版社,1997.9.

[2] 刘楚芸,倪莉,李磊. 制冷系统热力计算模块设计.[J] 低温工程.2001, 5 (123):58-61.

Modeling and Simulation of heat load of automobile cabin based on MATLAB

Li Jianmin, Wu Liuyan, You Baofeng
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230022 )

In this paper, the basic structure of the thermal load transient model of the automobile cabin is established by using the Simscape module of matlab. The model can be used to simulate the heat load of the cabin under different control conditions of the automobile air conditioner by inputting different heat and cooling capacity.

automobile cabin; thermal load; transient model

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-142-03

U467.3 文献标识码:A 文章编号:1671-7988 (2017)12-142-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.047

李建民,就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

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