汽车乘员舱热舒适性影响因素的研究

曹文霞，张雷 ,范习民

（1.231603 安徽省 合肥市 安徽水利水电职业技术学院 ；2.230601 安徽省 合肥市 安徽江淮汽车集团股份有限公司）

0 引言

我国南方地区夏季非常炎热，由于乘员舱内空间狭小且相对封闭，使得车内温度快速升高，温度场不均匀性增大。如果空调系统设计不好，出风温度和风量较小，或者车内的流场组织分布不合理，则不能给乘客有效降温。驾驶员长期处于这种环境下容易疲劳、精神烦躁、注意力不集中，加大发生交通事故的概率。

随着计算机和数值技术的快速发展，研究人员开始利用CFD对轿车乘员舱的热舒适性进行研究，江涛[1]等人研究了不同太阳高度角对乘员舱热舒适性的影响；谷正气[2]等人通过改进空调风道中所加导流片的3 个结构参数，提升了空调出风总量和出风比例；唐江明[3]等人对汽车空调送风格栅进行优化，改进乘员热舒适性；王峰[4]等人考虑了太阳辐射、空调出风口位置和角度对温度场的影响。已有的研究大多凭经验对空调系统的风道结构进行改进，没有考虑风道送风温度和送风量的影响，部分使用的车围结构的边界条件参数，如太阳辐射吸收率、透射率和反射率等的设置是同一的，厚度也欠考虑。

本文利用一维参数组合模型调整法OPCMA 快速建立准确的乘员舱参数组合模型，将其应用到三维仿真软件Star CCM+的边界条件中，分析不同的送风温度和送风量对乘客热舒适性的影响，为汽车空调设计提供参考。

1 乘员舱模型

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、内饰部件、风道和假人等。将模型导入到Star-CCM+中，经修复、简化和防接触处理后，使用包面功能提取乘员舱的内表面，如图1 所示。

图1 包面后的乘员舱三维模型Fig.1 3D model of occupant compartment after covering

将车顶隐藏后，可以看到乘员舱内部的结构：前排安排2 名乘客分别为驾驶员和副驾驶员，仪表盘左、左中、右中、右有4 个出风口，副驾驶的脚部开有排气口，如图2 所示。

图2 模型内部结构示意图Fig.2 Schematic diagram of internal structure of the model

2 CFD 仿真

2.1 基本控制方程

（1）连续方程

（2）动量方程

（3）能量方程

式中：ui，uj——平均速度的分量；xi，xj——坐标分量；p ——流体微元的压力；μeff——湍流有效粘性系数；ρ——空气密度；Cp——比热容；k ——传热系数；ST——流体内热源由于粘性作用使得机械能转化为热能的部分[4]。

2.2 网格划分

整个计算模型采用Star-CCM+中的多面体网格模型，为了计算的准确性，在风道格栅和假人各部位等多处进行了加密，并设置2 层边界层，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 求解域体网格示意图Fig.3 Schematic diagram of solving domain volume mesh

2.3 参数组合模型的建立

由于乘员舱模型部件众多，如仪表板、内饰板、胶条等，为使三维仿真输入更加准确，将具体设置每个部件的导热系数、厚度、吸收率、透过率和反射率。

在调整过程中需要利用一维仿真软件KULI 中的乘员舱模型对热负荷实验进行对比快速验证，最后调整的结果如表1 所示。

国有企业要以自身的实际情况为基础，以此来健全财务管理体系，然后进行逐步完善，以此来实现财务预算管理的效果，进一步健全财务管理考核机制，以此来确保财务预算管理的效果。当前大多数国有企业的考核机制过于简单，在考核指标与考核方法方面，不能够精确的对员工的工作业绩进行考评，从而不利于员工对于工作的积极性。鉴于此，要注重对考评机制在建立过程中的合理性与科学性，以员工的工作业绩为参考对财务预算管理的成果进行评价，并制定出完善的奖惩机制，从而激发财务预算管理人员的主观能动性，从而确保国有企业财务预算管理工作的实施效果。

表1 参数组合模型Tab.1 Parameter combination model

由于空气从风道进口经过风道再到出风口的过程中会有2～3 ℃的热量损失，需要在风道中设置相应的热导率和厚度。

2.4 边界条件设定

空间离散方式采用2 阶迎风差分格式。流场计算方式使用SIMPLE 算法。乘员舱中的流场使用K-Epsilon 湍流模型。计算域的入口是从风道底部进入，经过风道分流后从4 个出风口出来。风道入口分成三等分，左右隔腔负责连通左右两侧的出风口，中间的隔腔同时连通左中和右中2 个出风口，入口需要采用压力进口。如图4 所示。

图4 风道结构示意图Fig.4 Air duct structure diagram

3 数值计算仿真与实验验证

3.1 实验条件与工况表

为了检验模型的准确性，以真车在环模舱中的整车降温实验结果为对比依据进行验证。环模舱内环境温度为43 ℃，相对湿度40%，日照量为恒定值1 000 W/m2[5]，车内有驾驶员和副驾驶员。为研究不同出风温度和风量对乘员舒适性的影响，工况设置如表2 所示。

表2 仿真工况表Tab.2 Simulation conditions

3.2 出风口温度和风量验证

整车降温实验中的实测风量为340 m3/h，而仿真的总风量在350 m3/h 左右，误差小于3.6%，各出风口的风量误差基本在4%左右，最大不超过10%，如表3 所示。

表3 边界条件表Tab.3 Boundary conditions

4 个出风口在4 个不同工况，温度比入口处高2～3 ℃，误差在1 ℃以内，如图5 所示。

图5 出风口空气温度实验与仿真对比图Fig.5 Comparison of air temperature experiment and simulation at air outlet

3.3 呼吸点温度验证

实验中在前后排乘客呼吸点附近布置温度传感器，用于记录和指示乘员舱内温度的变化情况。实验结果与仿真结果对比如表4 所示，可以发现，前后排呼吸点处仿真值与实验值的误差基本在1.5℃以内，最大不超过2.3 ℃。

表4 呼吸点温度表Tab.4 Breathing points thermometer

4 热舒适性评价分析

4.1 乘员舱气流组织情况和温度场分析

随着风量的增加，乘员舱内的温度会有不同程度的下降，然而在实验中发现前排呼吸点的平均温度比后排呼吸点的平均温度要高，有局部区域温度过高的情况。通过仿真发现实际情况跟实验一样，温度场和前后排呼吸点温度分别如图6 和图7 所示。

图6 驾驶员对称截面温度场Fig.6 Temperature field of symmetrical section of driver

图7 前后排呼吸点温度实验值Fig.7 Experimental value of temperature of breathing points in front and back row

4.2 PMV-PPD 评价

4.2.1 PMV-PPD 评价介绍

1967 年，FANGER[6]针对热舒适性提出了预期平均热感觉（Predicted Mean Vote，PMV）的概念，用于预测一定变量组合环境下人体的热舒适度，涉及室温、相对湿度、平均风速、着衣量和人体作业量6 个变量。

PPD（Percentage of persons dissatisfied）是指对在一特定环境感到不适人员的比例。ISO 标准中，PPD 小于 10%的状态为推荐热舒适状态[7]。其定义式为：

4.2.2 PMV-PPD 评价

在Star-CCM+中编写函数，计算乘员的PMV和PPD 值[8]。在9.5 ℃的进风温度下，送风风量从350 m3/h 增加到400 m3/h 和420 m3/h，可知成员的PMV值越接近0，PPD 值降低，说明在一定范围内提高风量有利于提高成员的热舒适性[9]，如表5 所示。

表5 不同风量下的PMV-PPD 值Tab.5 PMV-PPD values under different air volumes

结合国内外舒适性相关研究和我国国民温度感觉习惯，夏季将车内平均气流控制在0.5 m/s 左右人体感觉最好[10-11]。过高的风量会增加乘员的吹面风速，引起乘员的不舒适感。

截取不同风量下驾驶员对称截面的速度场进行分析，如图8 所示。

图8 驾驶员对称截面速度场Fig.8 Velocity field of driver's symmetrical section

350，400，420 m3/h 风量下，乘员吹面风速为0.55，0.65，0.7 m/s，且受进口风温的影响较小。

5 结论

本文通过考虑太阳辐射情况下基于速度场、温度场、PMV-PPD 值和空气龄等形象的数据，对夏季空调降温过程中乘员舱舒适性进行可视化的分析，并做出科学的预测和评价。

运用一维参数组合模型调整法获取应用于三维数值模拟计算的相关边界条件的参数，经过实验的对比，温度误差基本在1.5 ℃以内，风量及其分配误差基本在4%以内，证明该方法适用于三维数值模拟前期计算的参数的快速获取。

在一定范围内提高风道的出风温度和风量可以提高乘员的热舒适性。但提高风量时需要注意风道的设计，避免吹面风速过高引起乘员的不舒适感。

乘员附近空气龄与风量基本成正比关系，说明进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。