热辐射下汽车温度分布及隔热分析

王庆中，王艳

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

随着汽车保有量快速增长，停车难问题日益突出，很多时候人们不得不将汽车停靠在无遮掩空地。汽车内部空间封闭，阳光热辐射作用下，车内温度迅速升高。据实验，夏天在阳光直射下，汽车内温度可达65 ℃[1]。这种温度会严重缩短汽车使用寿命，并且车内塑料或橡胶制品会释放出有毒气体，危害乘车人的身体健康。

汽车行进过程中，阳光热辐射会增加空调电能消耗，目前常用解决办法是在汽车前挡风玻璃上贴装一种节能隔热膜，它能在不影响玻璃采光的前提下，有效阻隔紫外光，降低红外光透射率，节省制冷能源消耗[2]。本文建立了汽车三维模型，在COMSOL 中运用表面辐射传热模块对汽车进行温度仿真。共模拟了完全暴露在阳光下、停靠在阴影处两种情况下汽车表面温度的分布。

1 汽车三维建模

汽车结构较为复杂，包含发动机、底盘、车身等，如果将这些结构全部建模，不仅会大大增加计算量，而且会导致在软件进行划分网格时产生错误。为了实现仿真计算，三维建模是忽略了汽车的细小结构和倒角，将汽车划分为车身骨架、透光玻璃、底盘、轮胎、座椅、钣金外壳6 个部分。图1 是汽车的三维装配模型。建模并装配完成后导入到COMSOL 中就可以进行仿真运算。

图1 汽车三维模型Fig.1 3D model of the automobile

2 温度场仿真

2.1 模型定义

对太阳、路面和汽车组成的系统进行建模，如图2 所示。汽车暴露在无遮掩的沥青路面上。此模型的主要热源是太阳，在COMSOL 中用“外部辐射源”来计算汽车温度场[3]。汽车内部为封闭腔体，需要考虑内部表面漫反射现象[4]，但由于汽车内部材料众多，所以仿真时均设定为聚乙烯塑料和合成纤维。仿真假象地点设在中国某一城市，假设时间为夏天上午11 时，通过城市的经度、纬度和时间计算此时太阳位置。在此模型中，太阳初始位置在汽车约70°斜上方，光线穿过汽车前挡风玻璃对汽车内部进行加热。

图2 阳光照射下的汽车模型Fig.2 Automobile model in sunlight

2.2 设定环境温度和热传导方式

建模过程中，环境变量和热传导方式如下：

（1）假设沥青路面0.5 m 以下为恒温层，恒温层温度设为300.15 K；

（2）由于空气流动，所有外露表面和空气之间会有热交换作用，在本次仿真中，对流热通量大小设置为20 W/(m2·K)；

（3）太阳辐照度大小设为800 W/(m2·K)[1]，起始时，车外空气温度设定为37 ℃，汽车和路面的起始温度设定为27 ℃；

（4）沥青表面对太阳光的表面辐射率设为0.94，其它辐射的表面辐射率为0.76[5]。

2.3 材料定义

COMSOL 中内置有常见材料的属性，表1 是根据汽车模型中不同结构所选取的材料。

表1 汽车模型中不同结构对应的材料Tab.1 Materials corresponding to different structures in automobile model

沥青是一种混合物，根据混合物的配方不同，沥青路面物理参数随之改变，需查阅相关资料确定。表2 是某种沥青路面材料热物特性参数[5]。

表2 一种沥青路面材料热物特性参数Tab.2 Thermal property parameters of a kind of asphalt

3 仿真过程及结果

3.1 无遮掩情况下小车表面温度仿真

仿真汽车在无遮挡情况下的表面温度上升情况。小车起始温度为300.15 K，起始时刻为上午11 时，每5 min 输出一次结果，结束时刻为下午1时。图3 是小车网格划分情况，图4 是汽车在阳光下30 min 后表面温度图像。从图4 可知，汽车表面受到阳光直射的温度最高，最高值可达328.94 K（55.79 ℃）。汽车侧面没有受到阳光直射的区域温度比受到直射的地方平均低15～20 ℃。

图3 汽车网格划分Fig.3 Meshing of the automobile

图4 阳光下60 min 后汽车表面温度Fig.4 Surface temperature of the automobile after 60 minutes in the sun

图5 是汽车表面温度随时间变化曲线。由图5 可知，在开始阶段，汽车表面温度上升较快，之后温度上升速度逐渐变缓，经过120 min 后汽车表面最高温度达到最大值55.79℃。

图5 无遮掩情况下小车表面温度随时间变化曲线Fig.5 Curves of surface temperature of automobile with time

3.2 阴影下小车温度场仿真

在小车的顶部和前方分别建立一个垂直的墙面，墙体厚度为0.3 m，材料为混凝土。汽车停靠在混凝土墙面产生的阴影之中。墙面初始温度同样设为300.15 K，其他条件和无遮掩情况下，小车温度仿真数据相同。起始时刻为上午11 时，每5 min 输出一次结果。图6 是在4 个不同时刻地面、汽车、墙壁系统温度变化情况。

图6 有遮掩情况下小车表面在不同时刻的温度Fig.6 Surface temperature of the automobile in shadow at diffident time

从图6 中可以看出，当汽车处在遮挡物下方时，汽车表面最高温度上升缓慢，混凝土墙壁外侧受到阳光照射，温度上升，水泥板内侧因导热性不好，上升较慢。因为仿真模拟时间为2 h，地面阴影会随着太阳的移动而移动。

图7 为2 种不同条件下汽车表面温度随时间变化曲线。由图可知，在遮挡物下的汽车120 min 的时间内表面温度仅从297 K（27 ℃）上升到303 K（32 ℃），而同样的时间内暴露在阳光下的汽车表面温度却会从300 K（27 ℃）上升到331 K（58 ℃）。在这种温度下，驾乘人员进入车辆后会有明显的不适感，并且需要耗费更多的能量才能将车内温度降低下来[6]。实际生活中使用的挡风玻璃隔热膜和带有吸盘的隔热板都是通过阻隔热量和增加阳光反射来起到降低汽车温度的作用。

图7 两种不同情况下小车表面最高温度Fig.7 Maximum temperature of the automobiles surfaces under two different conditions

4 总结

介绍了一种仿真阳光直射下汽车温度变化的方法，通过导入模型，设定日照强度，定义材料热物特性等步骤计算不同表面温度。利用该模型可计算汽车平均温度和表面最大温度值，有助于计算温度对汽车车漆、内饰等带来的损害。本文对比了暴露在阳光下和在阴影下2 种状态汽车温度的上升情况，仿真结果与实际现象相符，可以用于评估不同材料遮阳板、玻璃膜的防晒性能。