轻卡驾驶室热舒适性研究与分析

崔锦琼 陈清华,, 王建刚 王建业

（1.安徽理工大学机械工程学院 淮南 232001；2.广东立佳实业有限公司 东莞 523000；3.陕汽淮南专用汽车有限公司博士后工作站 淮南 232001）

前言

一直以来，国内外学者对驾驶室热舒适性问题进行了大量深入研究,主要分为进行热舒适性实验[1,2]和计算流体力学（CFD）这两大类[3,4]。热舒适性实验成本高，计算流体力学方法可以降低研发成本，缩短研发周期，在汽车开发中得到广泛应用。本文以新能源轻卡车型为研究对象，按照研究内容简化整车模型，设置流场及热边界条件，驾驶室的流场进行分析，然后对驾驶室的热舒适性进行分析，充分了解轻型汽车驾驶室的热舒适性，并提出改善驾驶室舒适性的方案。通过理论分析、仿真分析的方法，对车辆在不同工况下的温度场分布进行了仿真分析，参考仿真分析结果，可为驾驶室热舒适性设计提供参考和基本指导，在一定程度上减少试验方案的盲目性，使试验方案更加科学、全面降低试验成本[5-7]。最后的分析结果还能在汽车设计阶段提供参考和指导，提高汽车的产品竞争力。

1 数值模拟的计算模型

驾驶室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：

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

标准 K-ε两方程：

式中：

ρ—气体密度，kg/m3；

i、j—张量坐标，分别取1，2，3；

u—气体速度，m/s；

xi、xj—沿 x、y、z方向的坐标，m；

k—单位质量的湍流动能，J /kg；

ε—湍流动能的耗散速度，m2/s3；

μ、μt—层流、湍流的粘性系数，Pa·s；

p—压力，Pa。t为时间，s；

Gk—由平均速度梯度产生的湍流动能项kg/（s3·m）；

c1ε，c2ε，cμ，σk，σε—模型常数,分别取为1.44，1.92，0.09，1.00，1. 30。

2 物理模型及边界条件

2.1 物理模型的建立

采用SOLIDWORKS对系能源轻型卡车驾驶室进行建模，因为驾驶室内热空气与外界环境冷空气之间是一个传热过程，故此只对驾驶室内部流体域进行研究，将为外部结构完全忽略，同时为了保证网格质量，减少网格数量，缩短计算时间、提高仿真效率，对驾驶室内结构也进行简化，保留了驾驶室内座椅这一对内部速度场影响较大的结构。简化模型如图1所示，外形尺寸为1330 mm*1580 mm*1425 mm。模型中将四个送风口布置于前部仪表盘上，一个回风口布置于副驾驶脚下侧，位置如图2所示。采用Workbench中自带的划分网格软件Mesh，并使用非结构化网格，在Mesh中选取相应的面进行命名，分别命名为inlet，outlet，cheshen，boli等。最终得到非结构话网格数量微141 万个。

图1 驾驶室简化模型

图2 边界口布置图

2.2 设置边界条件

在对模型网格划分完成后，需要对模拟的边界条件进行设定：设置湍流模型为标准k-ε模型;开启能量方程、DO太阳辐射模型，设置进风口的边界类型为速度入口且设置湍流强度为5 %、水力直径0.09 mm；设置出风口风口的边界类型为压力出风口。本文对送风速度、送风温度两因素考虑新能源轻型卡车驾驶室内温度场和速度场的影响，故采用控制变量法设置多种工况对比分析。不同工况分析表如表1。

表1 不同工况分析表

3 仿真结果与分析

观察对比驾驶室内温度场和速度场的分布状况，对于数值模拟计算的结果，本文运用Fluent软件自带后处理模块CFD-POST对驾驶室内的流场计算结果进行可视化操作，便于分析过程更加清晰、明朗。选取司机中间位置中剖面即Z=-480 mm的XY平面为截面A和X=-430 mm的YZ平面为截面B的温度云图和驾驶室内部空间流线为主要研究对象。

3.1 不同送风速度对驾驶室内流场的影响

设置出风口温度15 ℃时，出风口的速度分别为1 m/s、1.5 m/s、2 m/s。在Z=-480 mm截面上观察不同工况下的速度云图和驾驶室内的流线图如图3，图4为截面A和截面B下的温度场。

图3 不同速度下的流场图

图4 不同速度下的温度场图

对比图3中的（a）（b）、（c）可以知道：①三种工况中头部均出现较大流速，其中工况一为0.05～0.25 m/s，工况二为0.1～0.45 m/s，工况三为0.1～0.5 m/s，一般要求驾驶室内的空气流速在尽量小于0.5 m/s，以防流速过大产生不适感，三种工况均符合基本要求。②三种工况均在座椅的前方也形成了两个面积较大的涡流；③工况一A区域上整体速度都特别小，在靠近司机腿部的区域大面积的速度为0 m/s，如果驾驶室内流场速度过小，会使得司机产生无风感，驾驶室内会让司机感受到闷热；工况三A区域上整体速度偏大。恰到好处的送风速度，有利于改善驾驶室内部的对流散热能力。

对比图4中的（a）（b）、（c）驾驶室截面A温度分布云图，在送风速度一致的前提下，改变进风速度大小值，温度场分布趋势大致相同，但温度值大小有差异，对于截面A上的温度，进风速度为1 m/s，1.5 m/s和2 m/s时，对应的平均温度值分别为26.8 ℃，25.7 ℃，和25.1 ℃，工况二比工况一的出风口速度高出0.5 m/s，其截面平均温度下降了约1.1 ℃，工况三比工况二的出风口速度高出0.5 m/s，但是其截面平均温度只下降了0.6 ℃左右，所以送风速度的提升确实能使驾驶室内温度场有所降低，驾驶室的温度场因送风速度的改变影响效果可观，它是影响驾驶室内温度场分布的一个重要因素。尽管如此，当送风速度增加到某极限值，其温度并未成正比下降，这样降温效果反而不大明显。不仅如此送风速度的增大同时会导致司机有强烈的吹风感。从三种工况的截面温度云图可以看出，假人的左边身体部分温度较高，考虑到可能是因为仪表台上左边出风口面积较小的缘故和太阳辐射的原因。三种工况下的温度云图均显示司机的脚部附近总比头部附近温度高出大约3～6 ℃，从日常经验来判断驾驶室的温度场分布相对恰当，与大众的乘坐感受理念“头凉脚暖”一致。

3.2 不同送风口温度对驾驶室流场的影响

图5中的（a）（b）、（c）分别给出风口速度为1.5 m/s时，出风口温度为12 ℃、15 ℃、18 ℃下截面A上的速度等值线图和驾驶室内的流线图。图7中的（a）（b）、（c）分别给截面A和截面B上的温度云图。

图5 不同速度下的流场图

对比图6中的（a）（b）、（c）不难发现：在Z=-480 mm截面上出风口速度一定的前提条件下、改变出风温度，其速度等值线云图和驾驶室内流线图不仅分布状态没发生变化，速度值大小也未发生改变。所以可得出了驾驶室内的速度场不会受空调的送风温度的影响。

图6 不同速度下的温度场图

对比图6中的（a）（b）、（c）难发现，在出风速度相同的条件下，改变出风口温度值，其截面的温度云图发生了很大的改变，送风温度的变化会影响到整个驾驶室内的温度场分布情况及数值大小，对改善司机热舒适性起到关键作用。由上图可知，不同的送风温度下，驾驶室的温度场的分布变化情况不大，且体感温度都在舒适的范围内。从截面A和截面B温度云图中显然可以看出，当增大了送风温度时，驾驶室内的整体温度都在升高，这表明了送风温度对驾驶室的温度有着正相关的作用。从温度云图上看出基本满足“头凉脚暖”的热舒适性要求。

4 总结

研究表明，送风速度对驾驶室内温度场和速度场的分布存在影响，当送风速度每增加0.5 m/s，主要截面的平均温度大约下降1.1 ℃，且送风速度的增大能够有效改善司机身体各部位的温度均匀性，送风速度的最小值应使驾驶室内空气充分流动才能满足舒适度要求。送风温度对驾驶室内温度值影响非常大，对于速度分布及速度值的影响都较小。