基于CFD的车室内热舒适评价及试验研究

张喜清，王亚龙，张浩杰

(太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024)

0 前言

装载机作为重要的土方机械，其作业环境往往比较恶劣，工作时间长，劳动强度大。因此，保证车室内良好的热环境，可以缓解驾驶员疲劳，减少事故的发生。

利用CFD技术对驾驶室热舒适性的研究较多。林家泉、迟聘[1]采用加权PMV和EQT热舒适性评价指标，研究飞机座舱内的非均匀热环境；赵兰萍等[2]基于PMV指标和等效均匀温度(EHT)对驾乘人员热感觉进行分析，得出EHT指标更容易满足驾乘人员的热舒适性；王勇等人[3]基于Fluent二次开发UDF对驾驶室热舒适性进行仿真分析，研究不同送风方式和送风温度对热舒适性的规律影响；王靖宇等[4]在当量温度EQT基础上结合热感觉偏差和冷负荷，利用不同送风参数研究轿车内流场的分布，分析气流组织对热舒适性影响；吕鸿斌等[5]基于内流场对轿车乘员舱进行热舒适性分析，研究了送风温度对人体热舒适性的影响。目前，大多数研究以轿车热舒适性为对象，因此对装载机驾驶室热舒适性进行研究，不仅有一定的理论意义，还有较强的工程价值。

本文作者以某装载机驾驶室为研究对象，对冬季驾驶室的热舒适性进行研究，利用CFD商业软件对驾驶室内流场进行数值模拟，通过试验验证模型是否合理。采用UDF编程对PMV-PPD、吹风感和空气龄进行定义，对驾驶室内流场进行可视化处理。

1 模型建立及参数设置

1.1 数学模型

考虑到驾驶室空间狭小，室内空气流速较低，假设空气为不可压缩气体，计算流体力学的控制方程如下：

(1)连续性方程

(1)

式中：ρ为密度；t为时间；u为速度矢量，ux、uy、uz分别为X、Y、Z三个方向的分量。

(2)动量方程

(2)

(3)

(4)

式中：p为微元体上的压力；τxx、τxy和τxz是因分子黏性作用而产生在微元体表面上的黏性应力τ的分量；微元体表面X、Y、Z三个方向的应力张量fx、fy、fz是微元体受到的体积力。

(3)能量方程

(5)

(4)Realizableκ-ε方程

(6)

(7)

式中：Gb为浮力产生的湍动能；ut为湍流黏度；σk和σε分别表示湍动能和湍动能耗散率的普朗特数。

1.2 物理模型

由于驾驶室复杂结构对气流分布存在影响，为方便计算，根据驾驶室内部结构，按照对流体流动和热舒适性影响小的原则，进行如下简化：

(1) 将驾驶室内饰和外部结构简化为平面，保留玻璃车门等部位的尺寸；

(2) 简化送风口和出风口，保留其有效面积，使驾驶室可完成进排气循环；

(3)保留仪表盘、方向盘、座椅等结构，去除一些细小的零部件；

(4) 考虑到除霜口不经常使用，在建模中给予简化。

利用CATIA软件建立驾驶室几何模型，保留座椅、方向盘、送风口、出风口、玻璃和车门，几何模型如图1所示。

图1 几何模型Fig.1 Geometric model

1.3 网格划分

为提高计算精度，尽可能保证网格方向和流动方向一致，在提高数值求解的收敛性和稳定性同时，还能减少伪扩散。采用非结构网格划分有限元模型，有利于节约计算时间。对送风口、出风口等梯度大的地方进行加密处理，生成的体网格单元数量为502万，网格节点为92.8万。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

1.4 边界条件设置

根据仿真和实车测试数据，对边界条件和数值求解参数进行设置，边界条件如表1所示。

表1 边界条件设定Tab.1 Boundary condition setting

2 数值仿真与试验验证

为准确分析车室内热舒适性，根据GB/T 19933.4—2014规定测量点1～6的温度和点1～7的空气流速。通过测量驾驶员周围各点温度和空气流速，来反映驾驶室的热舒适性[6]。各测点位置如图3所示。

图3 测点位置Fig.3 Location of measuring points

2.1 气流组织分析

合理的气流组织保证了驾驶室内的温度和空气流速。根据现场测试，空调送风分为吹脸模式(1和2)和吹脚模式(3和4)。暖风气流经送风口1和2进入驾驶室，径直吹向驾驶员两侧，气流遇到后壁面时，大部分沿垂直方向经室内顶棚折返到前挡风玻璃。由送风口3和4送入的暖风气流径直吹向地板，使得人体脚步附近的温度得以快速提高。气流组织分布如图4所示。

图4 气流组织分布Fig.4 Air distribution

2.2 温度场分析

一般认为，车室内的温度对驾驶员热舒适性影响最大。冬季室内的热舒适温度推荐值为17～21 ℃，低于14 ℃、高于25 ℃都会影响驾驶员的操作，增加事故的风险性[7]。驾驶员周围的温差应小于5 ℃，温差过大会让人感觉不适。

当驾驶室气流达到稳定时，大部分区域的温度为22～23 ℃，分布比较均匀，但座椅后侧和仪表盘附近的温度低于14 ℃，由于气流遇到阻碍不能到达该位置造成的。温度场分布如图5所示。

图5 温度场分布Fig.5 Temperature field distribution

2.3 速度场分析

适宜的空气流速能快速提升车室内的温度，冬季室内的空气流速推荐值一般为0.5 m/s，流速过小会让驾驶员感到沉闷，太大会影响人体保温[8]。根据人体头部对冷敏感和脚部对热敏感的反应，在评价车室内热舒适性时，应考虑头凉脚暖带给驾驶员的影响。

通过速度云图可知，人体上半身空气流速小于0.4 m/s，面部空气流速在0.1～0.3 m/s之间，不会给头部带来强烈的吹风感。送风口3、4送入的暖风气流遇座椅受阻，产生局部涡流导致小腿附近的空气流速偏大。人体中心速度场分布如图6所示。

图6 速度场分布Fig.6 Velocity field distribution

2.4 试验验证

利用热敏风速仪和数字温度表，分别对人体附近位置点进行测试。为减小试验带来的误差，多次测量求其平均值。现场试验操作如图7所示。

图7 试验操作Fig.7 Test operation

将仿真与试验进行对比分析，仿真温度比试验温度高1～2 ℃，各点实测平均温度为21.1 ℃，与室内温度的推荐值比较接近。测点5处的温度最大，约为22.4 ℃，由于室内暖风气流上升的缘故，使得该位置的温度较其他部位高1～2 ℃。通过分析各点温度值，测点5的误差值最大，约为8.4%。温度对比结果如图8所示。

图8 温度对比Fig.8 Temperature comparison

通过分析各测点空气流速，受送风口3和4吹入气流的影响，点1和2的流速较大，分别为0.56、0.53 m/s。点3、4、6和7处的流速比较接近，约为0.3 m/s，小于室内空气流速的推荐值0.5 m/s。经过对比验证，测点2的速度误差最大为7%。速度结果如图9所示。

图9 速度对比Fig.9 Speed comparison

通过比较测点的温度和速度，误差值均小于10%，仿真与试验基本吻合。考虑到驾驶室为简化模型、实测试验产生的误差，证明该模型有一定的合理性。

3 热舒适性评价及分析

热舒适性是人体对热环境的主观感受，有关热舒适性的评价指标有很多，比如等效均匀温度、速度不均匀系数和整体热感觉等。本文作者基于PMV-PPD、空气龄和吹风感多指标体系，进一步分析车室内的热舒适性。

3.1 热舒适性指标

(1)PMV-PPD

依据ISO7730标准，当PMV在(-0.5，0.5)范围内、PPD<10%时，人体热感觉较为舒适；当PMV=0，PPD=5%时，人体为最舒适状态[9]。近年来，PMV-PPD作为评价室内热环境的舒适性被广泛使用，PMV的计算方程如下：

fPMV=(0.303e(-0.036M)+0.028){(M-W)-3.05×10-3[5 733-6.99(M-W)-pa]-0.42(M-W-

58.15)-1.7×10-5M(5 867-pa)-0.001 4M(34-

Ta)-3.96×10-8fcl[(Tcl+273)4-(Tr+273)4]-fclhc(Tcl-Ta)}

(8)

式中：M为新陈代谢率(W/m2)；W为人体输出功(W/m2)；pa为水蒸气分压(kPa);Ta为局部空气温度(℃);fcl为穿衣人体和裸体表面积之比;Tcl为着衣外表面温度(℃);Tr为平均辐射温度(℃);hc为对流交换系数[W/(m2·K)]。根据人体对冷热的感知，得出热感觉与PMV值的对应关系，评价等级如表2所示。

表2 PMV评价等级Tab.2 PMV assessment grade

由于个体间的差异，每个人对同一环境下的热舒适感不完全一样，由此提出热环境下的预测不满意率PPD，表示人体对当前热环境的不满意度。当PMV确定时，PPD的计算方程如下：

(9)

(2)吹风感和空气龄

吹风感是用来预测吹风强度引起人体的不满意率。由空气运动引起驾驶员产生期望的局部冷感，用DR来表示。依据ISO7730规定，吹风感系数小于15%时，人体处于舒适区间。DR的计算公式如下

fDR=(34-Ta)(va-0.05)0.622 3(0.369 6vaTu+3.143 9)×100%

(10)

式中：Ta为空气温度，℃；va为空气速度， m/s；Tu为湍流强度，%。当va<0.05 m/s时，则va=0.05 m/s，当fDR>100%时，取DR=100%。

最早在20世纪80年代，SANDBERG M提出了评价空气品质的重要指标空气龄[10]。即空气从入口到达室内某一位置经历的时间，空气龄越小，说明空气越新鲜。封闭空间中某一点的空气由不同空气龄τ的空气组成，设空气龄概率为f(τ)，空气龄平均值τp计算公式如下

(11)

3.2 热舒适性分析

利用C语言对PMV-PPD、吹风感以及空气龄等热舒适性指标进行UDF编译，结合Fluent模拟软件，对各评价指标实施可视化处理。

3.2.1 PMV-PPD分析

当驾驶室稳定后，室内温度和速度都发生了很大变化。驾驶员表面的PMV值在(-0.55，0.35)区间内，PPD值分布范围为5.5%～12.5%。头部的PMV值为0.2，PPD值约为6%，说明该部位热舒适性良好。然而驾驶员左脚处PMV值为-0.55，PPD值为12.5%，说明左脚处微凉，预测不满意度偏大。

总体来说，人体表面PMV-PPD值基本在合理的范围内，满足ISO7730规定的-0.5

图10 人体表面PMV分布 图11 人体表面PPD分布Fig.10 PMV distribution on Fig.11 PPD distribution on human body surface human body surface

3.2.2 吹风感分析

通过对驾驶员表面吹风感进行研究，得出吹风感系数10%

图12 人体表面吹风感分布

3.2.3 空气龄分析

空气龄用来评价室内空气品质的好坏，当空气龄小于40 s，认为该室内的空气较新鲜，人体感觉比较舒适。

从中心截面空气龄云图可知，驾驶员附近平均空气龄为32～36 s，空气龄分布均匀，说明室内空气比较新鲜。驾驶员背部与座椅之间、前挡风玻璃下边缘、座椅与后壁形成的狭小空间，这些位置气流组织很难到达，空气龄甚至达到了40 s。总体看来，车室内的空气新鲜度较好。空气龄的分布如图13所示。

图13 空气龄分布Fig.13 Air age distribution

4 结语

以冬季装载机驾驶室暖风工况为研究对象，对驾驶室热舒适性进行评价，并得到如下结论：

(1) 通过建立仿真模型，设置不同送风口的温度和速度，经仿真与试验对比验证，在一定误差范围内，各测点温度误差最大为8.4%，速度最大误差值为7%，证明所建模型的合理性和可靠性。

(2) 评价驾驶室热舒适性时，利用Fluent自定义功能的方法对PMV-PPD、吹风感和空气龄进行编译。经编译后对驾驶室热舒适性进行可视化处理，并分析了局部热不舒适、吹风感强烈及空气不新鲜的原因。

(3)车室内的气流组织与人体热舒适性紧密相关，通过研究人体表面的PMV-PPD和吹风感系数的分布，说明驾驶员热感觉良好，室内空气比较新鲜。