基于汽车空调最大制冷的舒适性虚拟分析

陈鸿明

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

0 引言

汽车空调最大制冷能力是整车空调的关键性能之一，如果设计较差，会导致空调制冷效果不好，直接影响客户的感知体验。目前，最大制冷性能基本上是通过实车试验进行验证[1-7]，然后再通过夏季路试进行主观舒适性评估。常规的开发流程在设计前期没有对人体舒适性进行虚拟仿真[8-12]，而且由于参加路试的测试人员的体型、胖瘦以及性别的不同都会导致评估结果不一致，无法完全表征出所有人的舒适性[13-16]。

本文通过对前期最大制冷舒适性能的仿真模拟，能够在早期阶段介入舒适性评估，通过客观分析同一个人体模型而得到最大制冷的舒适性，具有很好的一致性，对于前期空调最大制冷的设计有更好的指导意义[17-20]。

1 舒适性评估参数和舒适性模型介绍

1.1 温度冷感指标

热环境综合评价指标（PMV）是一个温度冷感指标，用来反映人的感知度，在ISO-7730标准中，从-3（冷感）到 0（中间感受）到+3（热感）共 7个阶段的舒适评价。Taitherm软件从-3到+3扩展为-4到+4，如图1所示增加非常热和非常冷两个温度指标。

图1 热感知度

1.2 舒适性模型

采用Taitherm软件内的BerkeleySegment模型，建立人体舒适性模型；此模型可以把人体分为 21部分，如图2所示；该模型各部分包含16层的边界层（包括表皮、脂肪、肌肉和骨骼等），可以根据当前的温度、湿度、速度和人体的新陈代谢，综合计算转化成人体的感知度来给出舒适性的评估。

图2 人体模型部位划分

2 最大制冷耦合计算分析

为了得到准确的舒适性结果，首先要基于虚拟仿真得到最大制冷性能的温度场和流场；由于整个试验涉及到热辐射和对流，为了更加准确，基于Fluent和Taitherm 两个软件进行耦合计算，在耦合之前需要简化模型用于 Fluent和 Taitherm 计算分析的网格模型。

2.1 网格模型

Fluent流场网格首先需要把驾驶舱内气流能够接触到的区域简化出来，汽车出风口和风道及空调箱体等，涉及到气流区域的面生成大小为2 mm左右的三角形网格，其他区域可以在15 mm左右，区域之间均匀过度，Fluent网格简化完成后如图3所示。

Taitherm网格基于流体网格进行更改，提取热辐射所关注的驾驶舱内部件，主要包括前挡风玻璃、后侧挡风玻璃、侧挡风玻璃、仪表板、地毯、座椅、假人模型生成以四边形为主的网格，网格大小为15 mm左右，由于不涉及到流体，所以简化模型可以去掉空调箱及相应的风道结构，Taitherm简化后的网格模型如图4所示。

2.2 熄火晒车模拟

图3 Fluent网格模型

图4 Taitherm网格模型

网格完成后，首先要模拟整车熄火晒车工况，通过Taitherm和Fluent进行耦合计算，由于要模拟热辐射，对模型上方进行光照设置，使车顶能够接收到1,000 W/m2的光照，模型计算是基于环境温度为38 ℃、光照为1,000 W/m2的条件下进行瞬态模拟，前后挡风玻璃要设置为半透明模型，并根据玻璃属性设置前挡风玻璃吸收率为0.3和透射率为0.6（根据实际玻璃的属性进行设置），设置前挡风玻璃的厚度为 3.5 mm和相应的材料属性，另外设置仪表板、地毯相应材料属性和厚度及表面属性吸收率。为了进行耦合模拟计算，首先通过Fluent计算出稳定的流场结果，导出 5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min和60 min的对流换热系数给Taitherm，根据对流换热系数进行瞬态计算，计算完成后，再把相应的壁面温度再导给Fluent流场模型，Fluent通过导入的壁面温度，稳态计算后，导出相应的对流换热系数给Taitherm模型，如此步骤进行多轮耦合，直到壁面温度达到稳定，如下为某款车型的熄火晒车的工况耦合稳定后的Taitherm瞬态计算结果，如图5所示。

图5 Taitherm熄火晒车工况瞬态计算

瞬态计算结果能够反映出车辆浸置在 38 ℃环境温度、60 min内受光照热辐射后的舱内温度的变化，通过和实车相同测点位置温度进行对比，对比结果如图6所示。

图6 熄火晒车工况虚拟与测试值对比

实车P1、P2、P3和P4测点位置如图7所示。通过对比可以看出，耦合计算得到的虚拟结果基本能够和实际试验一致性很好，温度误差小于 5%，此熄火晒车虚拟结果可以作为最大制冷工况的初始条件。

图7 测点位置示意图

2.3 空调最大制冷的模拟

首先对Fluent模型根据出风口的温度进行虚拟分析，通过一维仿真计算或相关试验给出空调出风口温度和风量，并根据相应的曲线提取 5 min、10 min、15 min和20 min出风口的温度作为Fluent流场的进口边界条件，如图8所示根据出风口温度试验值进行提取出风口各时间点的温度，并且分别对仪表板4个出风口进行设置，4个出风口的布置如下图9所示：以主驾中间出风口为例，风道进口流量设置为 25 L/s，5 min、10 min、15 min和20 min的进口温度分别设置为 10.26 ℃、7.64 ℃、6.77 ℃和6.94 ℃。

图8 出风口温度值提取转化

图9 仪表板出风口的布置

根据设定好的边界条件进行稳定迭代计算，分别得到5 min、10 min、15 min和20 min相应的流场，确定气流的状态并得到相应时间下的对流换热系数。

将第一轮对流换热系数和相应的流体温度导入到Taitherm进行最大制冷瞬态模拟，如熄火晒车工程一样，通过Fluent和Taitherm软件的相互多轮耦合计算，得到最大制冷的瞬态虚拟结果，如图10所示为60 min时舱内及乘客的计算结果。

2.4 空调最大制冷的舒适性计算

将瞬态最大制冷的温度场模拟结果进行舒适性评估，同时需确认乘客的穿衣指数和新陈代谢的状态。由于模拟高温环境下的最大制冷，设定此乘客穿短袖短裤作为穿衣指数，最后计算出最大制冷热舒适性，结果如图11所示。

通过结果给出热舒适性评估，驾驶员在20 min时，头部可达到自然凉爽的状态，比较舒适，并可以通过瞬态模拟看出各时段乘客舱的舒性状态，从而给出最大制冷过程中的舒适性的评估，前期指导了设计开发。

通过上述对最大空调性能舒适性的分析，得出空调最大制冷的舒适性分析流程，具体如图12所示。

图10 Taitherm最大制冷60 min舱内的计算结果

3 结论

1）熄火晒车和最大制冷过程的温度场虚拟仿真，通过Fluent和Taitherm软件进行耦合计算，试验与模拟值吻合较好。

2）通过对空调最大制冷性能舒适性的模拟可以从客观角度给出舒适性评价，在前期开发阶段给予指导并且减少后期夏季路试的工作量，节省开发成本和时间。

3）通过空调最大制冷的虚拟仿真，对舒适性模拟形成流程规范。

图11 最大制冷的舒适性结果

图12 最大制冷的舒适性分析流程