基于自定义场函数的乘员舱热舒适性仿真研究

吕鸿斌，刘启媛，施骏业，陈江平

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

0 引言

我国南方地区夏季非常炎热，绝大多数地方最高温度超过35 ℃，部分城市甚至超过40 ℃。由于乘员舱内空间狭小且相对封闭，车内的温度快速升高，温度场不均匀性增大。普通的开窗通风降温不能满足热舒适性的要求，需要关闭车窗开启空调降温。如果空调系统设计不好，使送风温度和风量较小，车内的流场组织分布不合理，空气新鲜度不足，不仅不能给乘客带来舒适的体验，而且驾驶员长期处于此环境下，容易导致疲劳困乏、注意力不集中等问题，从而大大增加了发生交通事故的概率。

随着计算机和数值技术的快速发展，越来越多的研究人员开始利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）对轿车乘员舱的热舒适性进行研究，如江涛等[1]研究了不同太阳高度角对乘员舱热舒适性的影响。文献[2-5]侧重于修改风道的参数来增加空调送风量，并指明汽车风道的设计水平直接影响车内的气流组织的合理性，对提高乘员舱热舒适性有重要的意义。文献[6]侧重于空调送风格栅和热环境维度的优化来改进乘员热舒适性。

王靖宇等[12]研究了基于空调送风参数对于车室内流场的影响，但是侧重于常温环境下利用整体热舒适性偏差和冷负荷作为热舒适性的评价指标，缺少对酷热环境下的分析和空气新鲜度的评价。张炳力等[13]虽然针对衡量热舒适感的综合预测平均反应（Predicted Mean Vote，PMV）和预测不满意百分数（Predicted Percentage Dissatisfied，PPD）两指标的综合应用指标（PMV-PPD）和空气龄指标分析了乘员舱热舒适性，但是PMV-PPD 没有进行加权平均，不适合应用在乘员舱中非均匀的热环境。

本文在前人研究的基础上，侧重于汽车在夏季环境温度超40 ℃条件下，以整体热感觉偏差和空气龄为指标，基于Star-CCM+自定义整体热感觉偏差（All Equivalent of Temperature，AEQT）场函数和平均空气龄场函数，分析不同送风风量和送风温度下乘员舱的热舒适性，减少驾驶员和乘员在酷热条件下的乏困感，对汽车空调的设计提供一定的指导意义。

1 CFD模型及边界条件

1.1 三维建模

使用三维建模软件CATIA 对乘员舱进行建模，部件包括车体、座椅、仪表盘、风道、车窗、车门和假人等。将模型导入到Star-CCM+中，经过修复、简化和防接触的处理后，使用包面的功能将乘员舱的内表面进行提取，如图1所示。

图1 包面后的乘员舱三维模型

将车顶隐藏后，可以清楚看到乘员舱内部的结构：前排安排两名乘客分别为驾驶员和副驾驶员，仪表盘左、左中、右中和右4 个送风口，副驾驶的脚部处开有排气口，如图2所示。

图2 模型内部结构

1.2 网格划分

整个计算模型采用了Star-CCM+中的多面体网格模型，为了计算的准确性，在风道的格栅、假人的各个部位等多处进行了网格加密，并设置两层的边界层，最后得到的体网格数量为4,471,423。划分网格的模型如图3所示。

图3 求解域体网格

1.3 边界条件的设定

为了提高计算的准确性，空间离散方式采用二阶迎风差分格式。流场计算方式使用k-ε湍流模型和SIMPLE 算法。为保证从风道出来的风量等分，入口采用压力进口。其余的边界条件如表1所示。

表1 边界条件表

2 热舒适性评价指标及场函数编写

2.1 整体热感觉偏差AEQT

在一个相对湿度为50%、内部气流均匀且空气温度等于辐射温度的封闭环境中，调整环境温度使暖体假人身体的某一部位的散热量等于该部位在真实非均匀环境中的散热量，环境温度被定义为该部位在真实环境中的当量温度[14]，适用于评价动态、非均匀的乘员舱环境中乘员节段的热舒适性，定义式：

式中，Ts,i为人体i节段皮肤表面温度，K；Vair,i为相对人体i节段周围空气速度，m/s；Ta,i为人体i节段周围空气温度，K；Qsol,i为人体i节段皮肤收到的太阳辐射，W；fi,n为人体i节段对部件表面的角系数，K；Si为人体i节段表面面积，m2；σ为斯蒂芬·玻尔兹曼常数，取5.67×10-8W/(m2·K4)；εi为人体i节段的发射率，一般取0.97；hcal,i为人体i节段对流换热表面传热系数，一般取8.7 W/(m2·K)。

整体热感觉偏差AEQT[16]是用于表征环境舒适性最佳值之间的偏差程度，即各节段当量温度与理想值偏差之间的综合偏差结果，范围为[-1,1]，大于0 表示当量温度正处于舒适性区间内，小于0 则处于不舒适区间内。其公式如下：

式中，ωi为人体i节段面积和热敏感度权重因子；tmax,i为人体i节段舒适温度上限，K；tmin,i为人体i节段舒适温度下限，K。

由于在Star-CCM+中没有现成的当量温度和整体热感觉偏差的场函数，所以本文采用手动定义相关场函数。值得注意的是，虽然有文献指出人体i节段皮肤表面温度不能通过简单的CFD 模型计算得到，必须通过实验或者复杂的人体多节段数值模型，计算人体生物热方程得到[15]，而在使用中一般采用固定值。但是在Star-CCM+中的热舒适性模块中可以通过人体生物热方程计算人体表面温度，为了使计算结果更加准确，本文采用Star-CCM+中热舒适性模块计算的人体表面温度作为人体i节段皮肤表面温度。人体局部特征如表2所示。

表2 人体局部特征

2.2 平均空气龄

平均空气龄（Mean Age of Air，MAA），最早由SANDBERG[17]在20世纪80年代提出用来综合衡量室内通风换气效果和空气品质的指标，指的是空气由进气口到达室内某一位置的移动时间，反映了空气的新鲜程度。封闭空间中的某一点的空气是由不同空气龄τ的空气组成，设某空气龄的概率分布为f(τ)，则某一点的空气龄平均值τp的计算公式如下：

越小的空气龄代表该处的空气越新鲜，空气品质越好。

在Star CCM+中，空气龄函数需要提前选择“Passive Scalar”物理模型，属性栏中勾选被动标量源，Scalar Function 选择Density。然后手动创建新 的 场 函 数，“ Dimensions” 选 择 Time=1 ，“Definition”选择$PassiveScalar。

3 计算结果及分析

3.1 乘员舱内气流组织分析

如图4所示，气流进入风道经过分流后分别从4 个送风口沿着格栅引导的方向流出。此时气流分成两部分，一部分流向乘客的脸部、胸部和躯干，并在车顶的作用下形成小范围的漩涡气流W2 对前排乘客进行降温。但是如果前排乘客脸部附近的流速过大，尽管降温效果显著，也会给乘客带来不舒适的吹风感。另一部分气流则沿着车顶，经过后排座位和后备箱，并从后排座位底部回流到前排乘客的小腿和脚部，气流速度逐渐减小。

图4 乘员舱对称截面气流组织

结合国内外舒适性相关研究和我国国民温度感觉的习惯，夏季将车内平均气流控制在0.5 m/s左右人体感觉最好[18-19]。过高的吹面风速容易引起乘员的不舒适感。

截取驾驶员中央截面的速度场进行分析，如图5所示，当送风风量的增加，乘员舱内各点的速度增加。当送风风量Q=350 m3/h 时，吹面风速v=0.57 m/s，而送风风量Q=420 m3/h 时，吹面风速v>0.7 m/s，此时乘客感受到的吹风感强烈。

图5 乘员舱速度场

3.2 车室热舒适性分析

3.2.1 整体热感觉偏差AEQT 分析

表3所示为乘客整体热感觉偏差值，图6所示为不同送风风量和温度乘客各部位温度。由表3和图6可知，在350 m3/h 风量下，随着送风温度T的降低，乘客皮肤表面温度随之降低，整体热感觉偏差值提高了0.281～0.464。而当送风温度在低于9.5 ℃时，乘客平均整体热感觉偏差值大于0，说明在极端炎热夏季，室外温度超过40 ℃，太阳辐射强度为1,000 W/m2，轿车350 m3/h 送风风量下，要求送风温度低于9.6 ℃，乘客才会感到舒适。

表3 乘客整体热感觉偏差值

在送风温度相同时，当送风风量从175 m3/h 提高到350 m3/h 和420 m3/h，乘员表面皮肤温度得到明显的降低，乘客整体热感觉偏差值的平均值提高了0.425 和0.618。相比送风温度，送风风量对于乘客整体热感觉偏差值提高的效果更为显著。

根据CRAWSHAW 等[20]人体局部热感觉权重因子理论，依次选取热感觉权重因子最大的4 个部位（躯干、头、大腿和上臂）进行比较，结合整体热感觉偏差的定义，分析驾驶员和副驾驶员整体热感觉偏差产生差异的原因，如表4所示。躯干的热感觉权重因子最大，虽然副驾驶员的躯干当量温度比驾驶员和舒适区间平均温度d都要大，但是只相差-2.5～0.9 ℃。而副驾驶员的头部、大腿和上臂都比驾驶员要低-0.4～3.2 ℃，且更加接近各部位舒适区间平均当量温度。结合图6，发现在相同的条件下，副驾驶员皮肤表面温度都稍微比驾驶员低。所以，副驾驶员整体热感觉偏差评价要比驾驶员高，同时也说明，在轿车空调设计中，可以把乘客的头部、上臂、大腿和上臂等部位的快速降温作为提高乘员热舒适性优先考虑的条件。

图6 不同送风风量和温度乘客各部位温度

表4 乘客主要身体部位当量温度

3.2.2 平均空气龄分析

如图7所示，在Star-CCM+中编写函数并进行计算，选取驾驶员对称截面为分析对象得到乘员舱内平均空气龄的分布。随着送风风量从175 m3/h 增加到420 m3/h，乘员舱整体的空气龄得到明显减小，说明送风量增大有利于减少空气驻留的时间，提升空气的新鲜度和品质。当风量相同时，不同的送风温度对乘员舱内空气龄分布影响不大。350 m3/h 送风风量下乘客头部周围的空气龄范围是20～25 s，腿部及脚部以下空气龄为26～40 s，车背储物室与后座椅背部之间形成的相对封闭的小腔室，空气比较难到达，空气龄超过50 s。

图7 乘员舱空气龄

分析乘员舱流场和空气龄的关系，如图8所示，在其他条件相同时，乘员头部附近空气龄与送风风量成反比。当送风风量从175 m3/h 提高到420 m3/h时，乘员的头部附近空气龄减少了41.7%。而乘员吹面风速与送风风量成正比。当送风风量从175 m3/h 提高到420 m3/h 时，乘员吹面风速分别增加了75.5%，最大达到0.74 m/s，超过0.5 m/s 的最大舒适吹脸风速。过高的吹面风速容易引起乘员脸部的强烈吹风感而感到不适。但是在酷热环境下，短时间内大风量可以换来乘客和乘员舱的快速降温，可以接受。

图8 乘客吹脸风速与空气龄

4 结论

以某车型为对象，本文通过考虑太阳辐射情况下，基于Star-CCM+自定义整体热感觉偏差AEQT场函数和平均空气龄场函数，分析不同送风风量和送风温度下乘员舱的热舒适性，得出如下结论：

1）在350 m3/h 风量下，随着送风温度的降低，乘客整体热感觉偏差值提高了0.281～0.464。在送风温度相同时，当送风风量从 175 m3/h 提高到420 m3/h，乘客整体热感觉偏差值的平均值提高了0.425～0.618；说明随着送风温度或送风风量的提高，乘员身体各部位的平均温度趋向于热舒适温度范围；

2）送风温度降低大约可以提高乘客整体热感觉偏差值0.281～0.464，送风风量的提高可以提高乘客整体热感觉偏差值0.425～0.618。相比送风温度，送风风量对于乘客整体热感觉偏差值提高的效果更为显著；

3）在其他条件不变时，送风温度对乘员舱内空气龄分布影响不大，当送风风量从175 m3/h 提高到420 m3/h 时，乘员的头部附近空气龄减少了41.7%，意味着在一定范围内增大送风风量有利于减少乘员舱内空气驻留的时间，提升空气的新鲜度和品质；

4）在夏季酷热条件下，早期可以适当过度地提高送风风量，换取乘员舱和乘员身体各部位的快速降温，但当送风风量从175 m3/h 提高到420 m3/h时，乘员吹面风速最大达到0.74 m/s，强烈的吹风感使得大送风风量不宜长时间使用，避免给乘员带来不舒适感。