老化試驗過程中汽車內外表面傳熱特性和溫度場變化的研究*

陳吉清，郭巧嫣，李麗芬, 揭敢新，王俊，張曉東

(1. 華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640； 2. 中國電器科學研究院工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣州 5106631)

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2015213

老化試驗過程中汽車內外表面傳熱特性和溫度場變化的研究*

陳吉清1，郭巧嫣1，李麗芬1, 揭敢新2，王俊2，張曉東2

(1. 華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640； 2. 中國電器科學研究院工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣州 5106631)

針對目前汽車氣候老化研究仍處于耗時長、成本高、操作難度大的試驗階段，在時間和空間上都是離散的試驗數據，無法全面、準確地描述汽車整車或零部件的抗老化性能的問題，提出了一種汽車氣候老化的數值研究方法。基于汽車整車氣候老化試驗，在考慮了自然環境因素(如太陽輻射、水分、氣溫、風速等)，車內熱輻射的多次反射和車內空氣吸熱、傳熱的影響的條件下，建立了自然曝曬下汽車內外表面的傳熱模型，并進行仿真和測試，仿真結果與測試數據基本一致。仿真和測試的結果，得到了車身外表面溫度分布和傳熱特性及其主要影響因素，對比了熱輻射、熱對流和熱傳導3種傳熱方式的強度和總傳熱量，確定了零部件表面溫度場中局部高溫點、低溫點的位置。該數值方法和仿真模型可用于預測和評估各種典型氣候下汽車的耐候性。

汽車耐候性；老化試驗；傳熱特性；溫度場

前言

老化試驗是檢測和評價各種典型氣候環境中汽車整車和零部件工作性能和使用壽命的環境試驗。世界汽車工業的快速發展和汽車消費市場競爭日益激烈帶動大量的汽車氣候老化研究。通用、福特和大眾等都已經建立了公司內部氣候老化試驗標準[1-2]。國內部分汽車企業也開始了以控制零部件的老化性能為主、整車戶外曝曬評價為輔的汽車內外飾材料耐候性和耐老化性試驗[3-7]。戶外氣候老化試驗結果最接近汽車實際使用情況，但試驗研究方法存在耗時長、成本高、操作難度大等缺點，阻礙了汽車零部件老化機制研究的深入開展。

汽車的氣候老化試驗要求在典型的自然氣候條件下進行，試驗車輛要在代表沙漠氣候、濕熱氣候和酸雨環境等典型氣候的試驗場中接受長達1～2年的戶外曝曬，試驗條件要求苛刻、操作難度大、成本高，時間跨度大；由于天氣變化無法控制，所以試驗的重復性差；由于無法對汽車表面溫度變化進行定性的預測，導致試驗布點、測量周期和測量規模的制定缺乏科學的依據，離散的試驗結果不能準確、全面地反映汽車零部件的老化程度。

上述問題限制了對汽車老化機制的深入研究、拉長了新車型的開發周期、增加了新車的開發成本，不利于建立我國統一的汽車氣候老化試驗及評價技術標準。隨著計算機技術的發展和對熱問題研究的深入，數值方法在汽車熱問題上已有所應用，主要集中在分析汽車內部空間的熱流場[8-10]，但缺乏對汽車零部件表面傳熱特性和溫度場的研究。汽車氣候老化研究往往更關心在長時間不同氣候條件的影響下，汽車表面溫度場的分布和極端溫度工況。這方面國內外尚未有更深入的研究探索。零部件表面的溫度和吸收的太陽輻射能是加速汽車老化的主要因素，也是預測、評價汽車整車和零部件抗老化性的重要指標。

本團隊與工業產品環境適應性國家重點實驗室合作，在氣候老化試驗方法和試驗數據的基礎上提出汽車外表面熱響應的數值研究方法，建立了自然曝曬中汽車內外表面的傳熱模型，考慮了自然環境因素(如太陽輻射、水分、氣溫和空氣流速、流向等)，車內熱輻射的多次反射和車內空氣吸熱、傳熱的影響，應用三維熱仿真軟件RadTherm模擬計算自然環境中汽車部件表面熱傳遞過程，得到汽車部件表面的吸熱、散熱情況和溫度場的變化，對比熱輻射、熱對流和熱傳導3種傳熱方式對汽車外飾件表面溫度場的影響，分析重要零部件表面的傳熱特性、溫度場分布、高溫區和低溫區等影響汽車老化的重要參數。仿真結果用于指導零部件選材和制定汽車氣候老化試驗方案，合理選取重要零部件表面溫度監測點位置和數量，從而實現減少試驗耗時和成本的目的，推動對汽車整車和零部件老化機制的深入研究。

1 汽車整車氣候老化試驗

汽車氣候老化試驗包括整車氣候老化試驗、零部件氣候老化試驗和材料氣候老化試驗，又可細分為自然暴露試驗、自然加速暴露試驗和人工加速氣候老化試驗等。本文將對典型濕熱氣候下的試驗是在海南瓊海自然環境下進行的。

暴露試驗場遠離工業區和居民區，以免受到腐蝕氣體和雜質的作用。它配備完美的排水系統，能及時排除雨水，防止在停車處形成局部小環境氣候。試驗車輛停放在平坦空曠的草地上，遠離建筑物和樹木。此外，為了使整車盡可能處于最嚴酷的狀態，車輛的前風窗玻璃朝向正南方，且試驗車輛之間互不遮擋陽光，間隔距離至少為其相鄰車輛最高高度的3倍，保證通風。試驗時，車門、車窗和通風系統緊密關閉，卷起遮陽簾等遮光物。

2 自然環境下汽車傳熱模型

2.1 幾何模型建立

以某轎車為原型，創建幾何模型。模型長3 988mm，寬2 085mm，高1 479mm，包括車內、外零部件共49個，見圖1。為了減小建模的工作量和數值仿真的計算量，忽略了車門把手、換擋桿等零部件。

2.2 數值模型建立

2.2.1 天氣數據參數

太陽輻射、溫度和濕度是影響汽車氣候老化的主要環境因素。空氣中的塵埃、污染物和霉菌等二級因素也會加速汽車零部件的老化，但影響程度較小。材料的老化是環境因素和二級因素共同作用的結果，且其中的影響機理因材料不同而存在差異。

我國幅員遼闊，氣候條件區域性明顯，汽車既可能在海南的炎熱天氣下工作，也可能在黑龍江的嚴寒天氣下工作。不同天氣條件下汽車部件表面熱負荷的仿真方法和仿真過程基本一致，所以本文中只對汽車在我國高溫戶外停放時其外表面對環境負荷的熱響應進行仿真。將南方夏季某天的天氣信息以特定的格式導入RadTherm中，這些信息涵蓋了大氣溫度、相對濕度、太陽輻射強度、環境風速與風向和降雨量等信息。另外，還可選用軟件自帶的太陽模型，模擬再現大氣溫度、濕度、太陽輻射強度、風向、風速、云層厚度、長波紅外輻射強度和降雨量等氣象變化。

RadTherm已用于建筑窗戶玻璃、汽車發動機艙等方面的熱問題[11-15]，在太陽輻射下汽車表面的熱負荷上也有應用[16-17]。

2.2.2 傳熱數值模型

輻射、對流和傳導是3種基本的熱傳遞方式，當然也存在于自然暴露下的車身外表面熱響應過程中。太陽光是汽車零部件在戶外自然環境中停放時的主要熱量來源，RadTherm通過用戶導入的氣象數據或自帶太陽模型模擬真實的太陽輻射。車身外表面受到太陽的直射及散射、經云層過濾后的天空輻射和環境輻射等，由于在進行老化試驗時汽車停放在空曠的草地上，所以忽略樹木、建筑物的遮擋和環境輻射。汽車內飾件則受到通過車窗玻璃的太陽光的照射。除了受太陽輻射的影響，汽車零部件之間也始終在進行著相互的熱輻射。輻射傳熱量為

φr,i=Ai(αicosθiGD+αiGd+

(1)

式中:i和j為網格單元編號；A為面積；α為輻射能吸收率；θ為太陽直射入射角；GD為太陽直射輻照密度；Gd為太陽散射輻照密度；σ為史蒂芬-玻爾茲曼常數；Fs為網格單元與天空的角系數；TS為天空溫度；m為汽車外表面單元數；Fij為單元j對單元i的角系數；ε為表面輻射發射率。

先進的光線跟蹤算法是RadTherm軟件的一大特點，該算法用于計算角系數，可模擬多次反射的熱輻射現象。角系數是輻射傳熱計算中一個重要幾何因子，表示某表面散發的輻射能落到另一表面上的百分比。角系數與物體表面的溫度及發射率無關。RadTherm中，角系數的計算精度取決于單元上的視點數和從視點發射的射線數。RadTherm先將網格單元劃分成多個子區域，然后在每個區域內布置一個或多個視點，三角形和四邊形網格單元的視點數最多可達48個和64個，示意圖見圖2。用戶還可以調整每個視點所發出的射線數量。網格單元所發射的射線總數越多，角系數的計算精度就越高，但計算速度也會相對變慢。在本計算模型中，每個面網格單元只有一個視點且只射出一條射線。

根據流體流動的起因、有無相變、流動狀態、流體的物理性質和換熱表面的幾何因素，可將對流傳熱現象劃分成多種類別。針對對流傳熱情況的復雜多樣，RadTherm內置了多種對流傳熱模型，可以模擬無對流傳熱、小湍流強度對流傳熱、線性對流傳熱和冪律對流傳熱等熱交換過程。用戶選擇研究對象的表面的對流傳熱形式后，Radtherm通過其自帶的對流傳熱函數庫計算得到對流傳熱系數。

汽車外飾件與流過其表面的空氣、雨水發生對流換熱，將其表面的對流模式設置為自然風模式(WIND)，RadTherm會根據自然風的風速、風向和零部件的幾何特征來計算實時的對流傳熱系數。自然風模式下又有線性對流傳熱、小湍流強度對流傳熱和冪律對流傳熱3種傳熱模型可以選擇。線性對流傳熱模型中對流傳熱系數隨著流體流速的加快而增大，可用于模擬汽車行駛時表面的對流傳熱過程。汽車外表面的對流傳熱系數為

h=C1+C2v

(2)

對應的對流傳熱量為

φc,i=Aih(Tf-Ti)

(3)

式中:C1和C2為常數，取麥克亞當豎平板對流模型中的數值，C1=5.7W/(m2·K)，C2=3.8W·s/(m3·K)；v為空氣流速；Tf為流體溫度。老化試驗時，車門、車窗緊閉，車內空調關閉，車內零部件表面與車內空氣之間的對流強度微弱，所以將車內空氣簡化成各處溫度相同、靜止的空氣團，將零部件表面的對流換熱系數設定為1～3W/(m2·K)之間的恒定值。

熱傳導發生在零部件的內部、表面及相互接觸的零部件之間。RadTherm中常用的模型類型有單面模型、標準雙面模型、高熱導率模型和多層模型等。單面模型中，物體的一個表面處于絕熱狀態，不發生熱傳遞，而且在厚度方向也沒有熱量的流動。標準雙面模型和多層模型中在兩個表面上和內部都有熱量的流動。相鄰零部件間的熱傳導受它們的結構和接觸方式影響。在進行仿真計算時，不同結構的零部件間熱傳導方式如圖3所示。

網格單元的傳導傳熱量為

(4)

式中:λ為導熱率；n為與單元i相接觸的單元數；k為與單元i相接觸的單元編號；Aik為單元i與單元k的接觸面積；lik為單元i與單元k的中心距。

車身外表面還受到地面的直接輻射，在沒有太陽輻射的晚上，地面直接輻射的影響更為突出。因此緊貼4個車輪創建了地面模型。

2.2.3 零部件材料參數

汽車輕量化是當前的一個熱點研究課題，汽車塑料化是實現汽車輕量化的一個重要手段。汽車內飾件大多使用塑料制造，且塑料的使用正向車身覆蓋件和結構件擴展。表1是部分零部件制造材料和熱物理參數。材料的密度和比熱影響物體的熱容量，同體積的物體密度和比熱越大，則其熱容量越大。當吸收或放出等量的熱量時，大熱容量的物體溫度波動小。熱量在物體內部的傳導速度受熱導率的影響，熱導率越大熱量擴散越快，溫度越均勻。頂棚、地板和車門一般由多層材料組成，在滿足具備支撐、承載等要求之余，還起到隔熱和隔音作用。表2為頂棚各層結構的材料參數。

表1 部分汽車零部件的材料參數

表2 頂棚各層結構的材料參數

3 試驗驗證與仿真結果分析

由于在夜間沒有受到太陽光的照射，車身外表面處于低溫、小波動狀態，所以忽略這一時段內環境因素對零部件老化的影響。只對3：00-23：00時段內車身外表面在自然環境因素作用下的傳熱情況進行仿真計算。

3.1 試驗驗證

對試驗車輛進行了整車自然暴露試驗，采集車身外飾件的表面溫度變化，與仿真結果進行對比。暴露試驗在我國南方典型的濕熱氣候下進行，試驗條件如上所述。9個零部件表面最高溫度的仿真值與實測溫度值的對比結果見表3，右前車燈與右后車燈的相對偏差較大，但其絕對值仍小于10%，可認為仿真結果與試驗基本一致。

零部件名稱仿真值/℃試驗值/℃相對偏差/%前保險杠63.459.46.73右前車燈46.851.9-9.83后視鏡鏡框57.857.70.17右后車燈50.455.4-9.03前輪護罩40.743.9-7.29后保險杠58.661.3-4.40車頂密封條73.174.0-1.22車頂中部74.574.7-0.27發動機罩75.375.8-0.66

3.2 車身外表面太陽輻射和平均溫度變化

圖5為3：00-23：00期間發動機罩、車頂和行李箱蓋表面平均溫度隨時間的變化曲線。由圖可見，發動機罩、車頂和行李廂蓋的表面平均溫度變化趨勢相似，且最高溫度均在70～75℃范圍內。零部件所吸收的熱量主要來自太陽光，其溫度受太陽輻射的影響較大。6：00之前和20：00以后太陽輻射強度為零，在這兩個時段內，零部件的溫度相對較穩定；6：00過后，太陽光逐漸強烈，零部件表面溫度也隨之上升；中午時分，太陽輻射強度達到最大，零部件表面也相應地達到最高溫；午后，太陽輻射強度不斷減弱，零部件表面溫度也逐漸下降。車身的儲熱能力小，在自然環境中受到風速、風向等時變因素的影響，因此零部件表面溫度在增大或減小的過程出現了溫度波動。

3.3 汽車外表面傳熱特性

圖6和圖7分別是發動機罩和前保險杠表面的傳熱強度(即熱流量)和溫度變化曲線。熱流量是單位時間內通過某一給定面積的熱量，是面積、溫差和熱物理參數的函數。當物體從周圍吸收熱量時，熱流量為正值，反之則為負值。兩者的表面溫度平均值都是在接近14:00時，達到最大值。發動機罩表面最高平均溫度74.5℃，前保險杠表面最高平均溫度51.7℃。前保險杠表面吸收的太陽輻射能曲線有較大波動，在9：00-11：40不足3h的時間內，從359.7降至182.0W，降幅近一半。其表面溫度也相應逐漸降低，但由于對流散熱量和輻射散熱量也出現不同程度的減少，反而使前保險杠表面在14:00左右出現一個溫度高峰。而發動機罩表面的太陽輻射能變化平緩，在11：15時達到最大。前保險杠的水平傾角接近90°，發動機罩的水平傾角極小。這說明車身外飾件表面的水平傾角越大，越容易引起其表面太陽輻射能大幅波動，如果長時間在大的太陽輻射能變化下運行，可能加速零部件的老化。

物體與周圍環境的溫差影響熱交換的強度，不同傳熱方式受影響程度不同。在相同的溫度下，發動機罩表面的對流傳熱強度最大，其次是輻射傳熱，而通過傳導傳熱強度最小。

圖8和圖9分別顯示了發動機罩和前保險杠表面的吸熱量和散熱量隨時間的變化情況，從中可以分析不同傳熱方式對零部件表面散熱的貢獻。仿真時段內，發動機罩和前保險杠分別吸收太陽輻射能531.3和134.8kJ，這主要是由于兩者表面積的差異造成的。

對比圖8和圖9可知，不同傳熱方式對發動機罩和前保險杠表面熱交換的作用和貢獻大小不同。發動機罩表面的輻射散熱量、對流散熱量和傳導散熱分別是244.4，233.9和52.9kJ，分別占總散熱量的46%，44%和10%。前保險杠表面的輻射、對流和傳導散熱量分別是55.6，79.4和-0.3kJ，分別占總散熱量的41.3%，58.9%和-0.2%。熱輻射和熱對流是發動機罩和前保險杠向外散熱的主要途徑。對于減小發動機罩表面的熱負荷，熱輻射和熱對流的作用基本持平，但在前保險杠的散熱過程中，熱對流的作用明顯要大于熱輻射。相比之下，熱傳導對零部件表面散熱作用要小得多，甚至前保險杠還通過熱傳導方式吸收少量的熱量。

3.4 車身外表面溫度場

仿真還得到各個時刻汽車零部件表面溫度分布，圖10為13:00時車身外表面的溫度分布情況。圖11和圖12分別是發動機罩和前保險杠在8:00,11:00,14:00和17:00時的表面溫度分布情況。圖10和圖11(c)中，發動機罩中部出現了較明顯的高溫區，表面溫度梯度較大。在其他時段，發動機罩表面的溫度總體分布較均勻，未出現明顯的高溫區或低溫區。因此，溫度傳感器應布置在發動機罩靠近中部的位置。而前保險杠表面的溫度不均勻程度較高，低溫點出現在兩側，11:00和14:00時其中上部出現了高溫區。

4 結論

基于汽車整車氣候老化的試驗方法和試驗數據，建立自然曝曬下汽車內外表面的傳熱模型，對濕熱氣候下零部件表面的傳熱特性和溫度場變化進行仿真。仿真結果與離散的溫度測試數據基本一致，并得到任意時刻、任意位置車身外表面傳熱特性、溫度分布和太陽輻射能分布的變化情況，對比分析熱輻射、熱對流和熱傳導對零部件表面溫度場的影響強度和機理，確定零部件表面局部高、低溫的位置。研究表明該數值方法極大地彌補了汽車氣候老化試驗方法的不足，為制訂老化試驗方案和零部件選材提供指導，降低開發成本、縮短開發周期；該方法還可應用于各種自然氣候下和人工加速老化試驗中汽車零部件抗老化性能的研究。

車身外飾件表面的水平傾角越大，越容易引起其表面太陽輻射能的大幅波動，可能會加速零部件的老化。水平傾角接近90°的前保險杠在9：00-11：40不足3h的時間內，表面的太陽輻射能從359.7降至182.0W，降低近一半。而水平傾角接近為零的發動機罩沒有出現明顯的表面太陽輻射能波動。

熱輻射、熱對流和熱傳導的強度和傳熱量等汽車零部件材料的傳熱特性決定了其表面的溫度分布，但對不同的零部件的影響存在差異。對于汽車外飾件而言，熱輻射和熱對流是零部件散發熱量、減小熱負荷的主要途徑，而熱傳導的作用較小。發動機罩表面總散熱量中輻射傳熱占46%，對流傳熱占44%，傳導傳熱占10%，而在前保險杠總散熱量中的比例分別是41.3%，58.9%和-0.2%。

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A Research on the Heat Transfer Characteristics and Temperature Field Change of Vehicle Internal and External Surfaces During Ageing Test

Chen Jiqing1, Guo Qiaoyan1, Li Lifen1, Jie Ganxin2, Wang Jun2& Zhang Xiaodong2

1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,SouthChineUniversityofTechnology,Guangzhou510640;2.StateKeyLabofEnvironmentalAdaptabilityforIndustrialProducts,ChinaElectricApparatusResearchInstitute,Guangzhou510663

In view of the problem that the current researches on vehicle weathering aging is still at an experimental stage with the features of time consuming, high cost and difficult operation, and test data, being discrete in both time and space domains, cannot thoroughly and accurately describe the aging resistance performance of vehicle and its components, a numerical research method for vehicle weathering aging is proposed. Based on vehicle weathering aging test and under a condition of considering the effects of natural environmental factors (solar radiation, humility, air temperature and wind velocity) and the multiple reflection of heat radiation and air heat absorption and transfer within the vehicle, a heat transfer model for both interior and exterior surfaces of vehicle under the natural exposure to the sun is built, and both simulation and test are conducted with the results coincide to each other. As a result, the temperature distribution and heat transfer characteristics of the exterior surfaces of vehicle body and their main influencing factors are obtained; the intensities and total amounts of three modes of heat transfer (heat radiation, heat convection and heat conduction) are compared; and the positions of local high and low temperature points in the surface temperature field of components are located. The numerical method proposed and simulation model built can be used for predicting and evaluating the weather resistance of vehicles under various typical weathers.

vehicle weather resistance; ageing test; heat transfer characteristics; temperature field

*國家自然科學基金(51375170)和工業產品環境適應性國家重點實驗室開放基金資助。

原稿收到日期為2014年4月11日。