某輕卡乘員艙熱舒適性分析

張 丹，徐新潔，劉希東，丁樂芳

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

為改善乘員熱舒適性和保障行車安全，目前大部分車輛都裝配了空調系統，通過空調系統的制冷、供暖、除霜等功能來改善車內的熱環境，但車內熱環境的改善又嚴重影響著汽車燃油經濟性和排放特性。研究表明，約30%的汽車燃油消耗與車內熱環境有關[1]。在開啟空調的情況下會增加一氧化碳排放量0.99 g/km（71%），增加氮氧化物排放量0.12 g/km（81%）[2]。此外，電動汽車已經成為未來汽車發展的趨勢，空調系統所耗能量全部來源于動力電池，車內熱環境控制所耗能源情況，將嚴重影響車輛的續駛里程，如何有效地進行車內熱環境控制已成為電動汽車研究人員面臨的全新挑戰[3]。

熱舒適是對熱環境表示滿意的意識狀態[4]，影響人體熱舒適性的主要因素包括環境因素和人的因素，其中環境因素主要包括空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速、空氣相對濕度等；人的因素包括人的新陳代謝和衣服的熱阻等[5]。在狹小非均勻的熱環境下研究人體的熱舒適性須考慮人體每一部分與周圍環境的熱交換[6]。

本文以福田輕卡車型為研究對象，按照研究內容簡化整車模型，設置流場及熱邊界條件，引入假人熱調節模型，通過流體軟件和熱輻射軟件的聯合仿真，得到乘員艙內的速度場和溫度場情況，得出乘員艙熱舒適性評價的結論，從而指導設計開發，具有較大的工程價值。

1 計算模型的介紹和建立

1.1 Theseus-FE與Star-CCM+耦合原理

Theseus與Star-CCM+耦 合 時，Theseus計 算熱傳導與熱輻射，將壁面溫度提供給Star-CCM+作為邊界條件，Star-CCM+計算流場熱對流，并將壁面周圍的流體溫度及熱傳遞系數提供給Theseus進行下一步計算，如此往復，實現耦合計算。Theseus模型和Star-CCM+模型如圖1和圖2所示。

圖1 Theseus模型

圖2 Star-CCM+模型

1.2 計算模型和主要邊界條件

Star-CCM+邊界條件如圖3所示。

圖3 低速工況各出風口溫度隨時間變化曲線

Theseus-FE邊界條件如圖4所示。

圖4 材料邊界條件模型

表1 模型和邊界條件

1.3 Theseus-FE中的Fiala模型

Theseus-Fiala中使用了兩種不同的幾何模型：在前處理和后處理中使用殼來施加邊界條件，定義衣服（使用的殼單元為PSHELLMF）。在內部求解器中使用的是Fiala提出的模型，使用半球體做頭部，圓柱體做人體的其它部位。所有的模型通過熱流與先進行計算的殼模型相關聯，然后采用內部求解器進行求解。假人模型局部邊界條件如圖5所示。

表3 Theseus-Fiala假人模型

圖5 假人模型局部邊界條件

2 建立計算模型

2.1 建立計算分析模型

分別建立Theseus-FE和Star-CCM+分析模型，仿真分析監測點位置與降溫試驗布點位置一致，為了準確測量分布在乘員艙各處的空氣溫度，該試驗共布置18個溫度傳感器。試驗布點及仿真監測點位置如圖6所示。由圖可知，在駕駛員、副駕駛員的頭部和足部共布置4個傳感器；前排中間座椅和扶手箱上分別布置A桿和B桿，并從上至下分別布置6個傳感器；乘員艙后部左右吊鉤處各布置1個傳感器。

圖6 試驗布點及仿真監測點位置

2.2 Theseus與Star-CCM+耦合計算

由上文可知，耦合過程中Theseus-FE給Star-CCM+提供壁面溫度，Star-CCM+由此溫度計算得到的對流換熱系數及邊界上的流體溫度再回傳給Theseus-FE進行下一步計算，直到計算結束。

3 熱舒適性評價標準

3.1 客觀評價指標

乘員艙內的流場分布評價指標如下：

（1）乘客頭部風速：大致穩定在0.15～0.40 m/s之間，最高速度不能超過3 m/s。

（2）儀表板出風比例分配：駕駛員側的風量略大于副駕駛一側，大約占總風量的51%～52%左右。

（3）各出風口風速差：≤2 m/s，否則就會出現乘員艙內溫度場、速度場分布不均勻，從而產生漩渦，不利于乘員艙內空氣更新。

（4）鼻部風速：大致在0.2～0.6 m/s之間。

（5）平均空氣齡：空氣由進氣口到達室內某一位置的移動時間。空氣齡反映了乘員艙內各個位置處的氣體新鮮程度。

3.2 主觀評價指標

本次主觀評價采用國際通用的等效溫度的評估指標EN ISO 14505-2，是人體不同部位對溫度的主觀評價標準，CAE分析結果依據此標準進行評價。

圖7 ISO 14505-2評價標準

4 仿真結果分析

為了對乘員艙內部的熱舒適性進行分析，共選取了4個具有代表性的截面和假人表面，來監測乘員艙內的流場和溫度場狀態，如圖8所示。

圖8 各截面位置

4.1 客觀評價結果

由圖9可知，駕駛員和副駕駛頭部、胸部前方有較大的渦旋，流場擾動劇烈，周圍環境散熱明顯。

圖9 乘員艙內部整體流線

由圖10～13可知，駕駛員和副駕駛員胸部對應的吹風速度最大，達到1.6 m/s，吹風感較為強烈，在炎熱的夏季能夠迅速降溫；駕駛員和副駕駛員頸部后方與座椅之間的風速達到0.6 m/s以上，較為涼爽；駕駛員和副駕駛員面部風速約為0.2 m/s，符合流場評價指標要求駕駛員與副駕駛員鼻部水平截面速度場分布較為均勻，大部分風速穩定在0.2～0.8 m/s；鼻部風速低于0.6 m/s，處于舒適范圍。

圖10 吹面出風口流線圖

圖11 S1截面速度

圖12 S2截面速度

圖13 S3截面速度

由圖14～16可知，駕駛員和副駕駛員面部平均空氣齡為30 s左右，空氣流通迅速，空氣新鮮。駕駛員和副駕駛員足部、乘員艙后部空氣齡為30 s左右，空氣流通較快，新鮮程度較高。駕駛員前方和擋風玻璃后方存在空氣齡為104 s的區域，此處空氣滯留時間較長，新鮮程度較低。

圖14 S1截面平均空氣齡

圖15 S2截面平均空氣齡同前

圖16 S3截面平均空氣齡

4.2 主觀評價結果

試驗結束時，假人處于較涼爽狀態，周圍大部分區域溫度均維持在18～22 ℃范圍內。在頂棚與前風擋玻璃連接處，仍存在小范圍的高溫區。假人中間切面溫度分布如圖17所示。

圖17 假人中間切面溫度分布

空調開啟后，假人體表氣流降溫較快，可迅速降低至35℃左右；由于氣流直吹的原因，在駕駛員右臂內側、副駕駛員兩大臂外側表面溫度相對更低。假人表面溫度分布如圖18所示。

根據ISO 14505-2舒適性評價方法的評價結果見表4。

圖18 假人表面溫度分布

表4 降溫工況結束假人各部分當量溫度

圖19 降溫工況結束假人表面溫度分布

駕駛員右小臂、駕駛員和副駕駛員面部溫度較低，處于冷的不舒適狀態。駕駛員胸部由于風速較大，即使有衣服覆蓋，溫度也很低，已經處于冷的不舒適狀態。

圖20 降溫工況結束假人熱舒適性評價

降溫工況結束后，駕駛員、副駕駛員的大部分區域處于舒適狀態；駕駛員、副駕駛員的前胸和面部，以及駕駛員右手、右小臂處于冷的不舒適區，不舒適部位可以通過調整出風方向得以改善；低速降溫10 min后人體已經沒有很熱的不舒適感，隨著降溫的進行，整個假人越過不冷不熱的適中狀態，穩定在涼爽的舒適狀態臨界點。

圖21 降溫工況結束假人熱舒適性評價

5 仿真與試驗對標

整車降溫試驗在福田汽車國家重點實驗室高低溫環境艙內進行，試驗工況與仿真工況完全一致。試驗布點位置和試驗現場情況如圖22和圖23所示。仿真分析結果與試驗結果對比情況見表5。由表5可以看出，3個工況下，所有布點位置的平均誤差為2.45℃。

圖22 試驗布點位置

表5 各位置點仿真與試驗結果對比 單位：℃

圖23 試驗現場情況

5.1 熱浸工況對比

整個熱浸工況中，駕駛員、副駕駛員頭部和足部溫度曲線，仿真與試驗結果吻合較好，誤差為1.5℃，如圖24所示。

圖24 熱浸工況駕駛員、副駕駛員頭/足溫度對比

5.2 降溫工況對比

副駕駛員頭部、足部位置處的仿真與試驗吻合較好，誤差在1 ℃以內；駕駛員頭部、足部位置處的仿真與試驗溫度曲線趨勢一致，仿真值略低，溫差4 ℃左右，如圖25所示。

圖25 低速降溫工況下駕駛員、副駕駛員頭/足溫度對比

5.3 誤差原因分析

在熱浸和低速降溫兩種工況下，仿真與試驗結果吻合度較高，平均誤差在1～4 ℃左右，符合工程計算的要求，驗證了上述仿真計算模型和邊界條件設置的合理性和準確性。

存在誤差的原因分析如下：

（1）仿真分析中，對乘員艙內幾何模型進行簡化，與試驗中的真實內部空間存在較大差異。

（2）仿真分析中，乘員艙為全密封結構，而試驗過程會受到車身氣體泄漏的影響。

（3）仿真分析中選點位置與試驗布點位置存在一定的誤差。

（4）仿真分析中，只定義太陽的高度角和方位角，而試驗中使用35個均布排列的小燈來模擬太陽輻射。

（5）仿真分析中，整車外流場車身表面速度與環境艙風機作用的車體表面速度存在一定的差異。

（6）仿真分析中，部分材料參數（熱傳遞系數、發射率、吸收率等）無法準確提供，只能依據經驗值。

5.4 乘員主觀感受

駕駛員、副駕駛員身體的大部分區域處于較涼爽的舒適狀態，面部和手臂處有強烈的吹風感，冷的感覺強烈。這與前面利用ISO標準進行評價的結果相符。

駕駛員、副駕駛員認為M4輕卡車型室內降溫迅速，降溫效果很好。

6 結論

本文選取福田輕卡車型空調降溫工況為研究對象，利用Theseus-FE與Star-CCM+軟件進行乘員艙冷流場與溫度場的聯合仿真分析，達到對乘員艙熱舒適性進行評價的目的。主要結論如下：

（1）在熱浸和低速降溫兩種工況下，仿真與試驗結果吻合度較高，平均誤差為2.45 ℃，驗證了仿真計算模型和邊界條件設置的合理性和準確性，符合工程計算的要求。

（2）ISO評價指標與試驗時乘員的主觀感受一致，面部、手臂吹風感較大，冷感強烈。

（3）當前出風口位置下，駕駛員、副駕駛員身體絕大部分處于舒適狀態，面部、手臂等不舒適區可通過調節出風口位置和調小風量得到解決。

（4）駕駛員、副駕駛員面部空氣新鮮度好，空氣品質高。

（5）本輕卡車型室內降溫迅速，降溫效果好。

在商用車乘用化的未來發展趨勢下，對于卡車類產品的舒適性升級迫在眉睫，充分利用仿真分析的優勢對工程設計提供先期指導，將大大節省升級周期和費用投入。