基于自定義場函數的乘員艙熱舒適性仿真研究

呂鴻斌，劉啟媛，施駿業，陳江平

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

我國南方地區夏季非常炎熱，絕大多數地方最高溫度超過35 ℃，部分城市甚至超過40 ℃。由于乘員艙內空間狹小且相對封閉，車內的溫度快速升高，溫度場不均勻性增大。普通的開窗通風降溫不能滿足熱舒適性的要求，需要關閉車窗開啟空調降溫。如果空調系統設計不好，使送風溫度和風量較小，車內的流場組織分布不合理，空氣新鮮度不足，不僅不能給乘客帶來舒適的體驗，而且駕駛員長期處于此環境下，容易導致疲勞困乏、注意力不集中等問題，從而大大增加了發生交通事故的概率。

隨著計算機和數值技術的快速發展，越來越多的研究人員開始利用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）對轎車乘員艙的熱舒適性進行研究，如江濤等[1]研究了不同太陽高度角對乘員艙熱舒適性的影響。文獻[2-5]側重于修改風道的參數來增加空調送風量，并指明汽車風道的設計水平直接影響車內的氣流組織的合理性，對提高乘員艙熱舒適性有重要的意義。文獻[6]側重于空調送風格柵和熱環境維度的優化來改進乘員熱舒適性。

王靖宇等[12]研究了基于空調送風參數對于車室內流場的影響，但是側重于常溫環境下利用整體熱舒適性偏差和冷負荷作為熱舒適性的評價指標，缺少對酷熱環境下的分析和空氣新鮮度的評價。張炳力等[13]雖然針對衡量熱舒適感的綜合預測平均反應（Predicted Mean Vote，PMV）和預測不滿意百分數（Predicted Percentage Dissatisfied，PPD）兩指標的綜合應用指標（PMV-PPD）和空氣齡指標分析了乘員艙熱舒適性，但是PMV-PPD 沒有進行加權平均，不適合應用在乘員艙中非均勻的熱環境。

本文在前人研究的基礎上，側重于汽車在夏季環境溫度超40 ℃條件下，以整體熱感覺偏差和空氣齡為指標，基于Star-CCM+自定義整體熱感覺偏差（All Equivalent of Temperature，AEQT）場函數和平均空氣齡場函數，分析不同送風風量和送風溫度下乘員艙的熱舒適性，減少駕駛員和乘員在酷熱條件下的乏困感，對汽車空調的設計提供一定的指導意義。

1 CFD模型及邊界條件

1.1 三維建模

使用三維建模軟件CATIA 對乘員艙進行建模，部件包括車體、座椅、儀表盤、風道、車窗、車門和假人等。將模型導入到Star-CCM+中，經過修復、簡化和防接觸的處理后，使用包面的功能將乘員艙的內表面進行提取，如圖1所示。

圖1 包面后的乘員艙三維模型

將車頂隱藏后，可以清楚看到乘員艙內部的結構：前排安排兩名乘客分別為駕駛員和副駕駛員，儀表盤左、左中、右中和右4 個送風口，副駕駛的腳部處開有排氣口，如圖2所示。

圖2 模型內部結構

1.2 網格劃分

整個計算模型采用了Star-CCM+中的多面體網格模型，為了計算的準確性，在風道的格柵、假人的各個部位等多處進行了網格加密，并設置兩層的邊界層，最后得到的體網格數量為4,471,423。劃分網格的模型如圖3所示。

圖3 求解域體網格

1.3 邊界條件的設定

為了提高計算的準確性，空間離散方式采用二階迎風差分格式。流場計算方式使用k-ε湍流模型和SIMPLE 算法。為保證從風道出來的風量等分，入口采用壓力進口。其余的邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件表

2 熱舒適性評價指標及場函數編寫

2.1 整體熱感覺偏差AEQT

在一個相對濕度為50%、內部氣流均勻且空氣溫度等于輻射溫度的封閉環境中，調整環境溫度使暖體假人身體的某一部位的散熱量等于該部位在真實非均勻環境中的散熱量，環境溫度被定義為該部位在真實環境中的當量溫度[14]，適用于評價動態、非均勻的乘員艙環境中乘員節段的熱舒適性，定義式：

式中，Ts,i為人體i節段皮膚表面溫度，K；Vair,i為相對人體i節段周圍空氣速度，m/s；Ta,i為人體i節段周圍空氣溫度，K；Qsol,i為人體i節段皮膚收到的太陽輻射，W；fi,n為人體i節段對部件表面的角系數，K；Si為人體i節段表面面積，m2；σ為斯蒂芬·玻爾茲曼常數，取5.67×10-8W/(m2·K4)；εi為人體i節段的發射率，一般取0.97；hcal,i為人體i節段對流換熱表面傳熱系數，一般取8.7 W/(m2·K)。

整體熱感覺偏差AEQT[16]是用于表征環境舒適性最佳值之間的偏差程度，即各節段當量溫度與理想值偏差之間的綜合偏差結果，范圍為[-1,1]，大于0 表示當量溫度正處于舒適性區間內，小于0 則處于不舒適區間內。其公式如下：

式中，ωi為人體i節段面積和熱敏感度權重因子；tmax,i為人體i節段舒適溫度上限，K；tmin,i為人體i節段舒適溫度下限，K。

由于在Star-CCM+中沒有現成的當量溫度和整體熱感覺偏差的場函數，所以本文采用手動定義相關場函數。值得注意的是，雖然有文獻指出人體i節段皮膚表面溫度不能通過簡單的CFD 模型計算得到，必須通過實驗或者復雜的人體多節段數值模型，計算人體生物熱方程得到[15]，而在使用中一般采用固定值。但是在Star-CCM+中的熱舒適性模塊中可以通過人體生物熱方程計算人體表面溫度，為了使計算結果更加準確，本文采用Star-CCM+中熱舒適性模塊計算的人體表面溫度作為人體i節段皮膚表面溫度。人體局部特征如表2所示。

表2 人體局部特征

2.2 平均空氣齡

平均空氣齡（Mean Age of Air，MAA），最早由SANDBERG[17]在20世紀80年代提出用來綜合衡量室內通風換氣效果和空氣品質的指標，指的是空氣由進氣口到達室內某一位置的移動時間，反映了空氣的新鮮程度。封閉空間中的某一點的空氣是由不同空氣齡τ的空氣組成，設某空氣齡的概率分布為f(τ)，則某一點的空氣齡平均值τp的計算公式如下：

越小的空氣齡代表該處的空氣越新鮮，空氣品質越好。

在Star CCM+中，空氣齡函數需要提前選擇“Passive Scalar”物理模型，屬性欄中勾選被動標量源，Scalar Function 選擇Density。然后手動創建新 的 場 函 數，“ Dimensions” 選 擇 Time=1 ，“Definition”選擇$PassiveScalar。

3 計算結果及分析

3.1 乘員艙內氣流組織分析

如圖4所示，氣流進入風道經過分流后分別從4 個送風口沿著格柵引導的方向流出。此時氣流分成兩部分，一部分流向乘客的臉部、胸部和軀干，并在車頂的作用下形成小范圍的漩渦氣流W2 對前排乘客進行降溫。但是如果前排乘客臉部附近的流速過大，盡管降溫效果顯著，也會給乘客帶來不舒適的吹風感。另一部分氣流則沿著車頂，經過后排座位和后備箱，并從后排座位底部回流到前排乘客的小腿和腳部，氣流速度逐漸減小。

圖4 乘員艙對稱截面氣流組織

結合國內外舒適性相關研究和我國國民溫度感覺的習慣，夏季將車內平均氣流控制在0.5 m/s左右人體感覺最好[18-19]。過高的吹面風速容易引起乘員的不舒適感。

截取駕駛員中央截面的速度場進行分析，如圖5所示，當送風風量的增加，乘員艙內各點的速度增加。當送風風量Q=350 m3/h 時，吹面風速v=0.57 m/s，而送風風量Q=420 m3/h 時，吹面風速v>0.7 m/s，此時乘客感受到的吹風感強烈。

圖5 乘員艙速度場

3.2 車室熱舒適性分析

3.2.1 整體熱感覺偏差AEQT 分析

表3所示為乘客整體熱感覺偏差值，圖6所示為不同送風風量和溫度乘客各部位溫度。由表3和圖6可知，在350 m3/h 風量下，隨著送風溫度T的降低，乘客皮膚表面溫度隨之降低，整體熱感覺偏差值提高了0.281～0.464。而當送風溫度在低于9.5 ℃時，乘客平均整體熱感覺偏差值大于0，說明在極端炎熱夏季，室外溫度超過40 ℃，太陽輻射強度為1,000 W/m2，轎車350 m3/h 送風風量下，要求送風溫度低于9.6 ℃，乘客才會感到舒適。

表3 乘客整體熱感覺偏差值

在送風溫度相同時，當送風風量從175 m3/h 提高到350 m3/h 和420 m3/h，乘員表面皮膚溫度得到明顯的降低，乘客整體熱感覺偏差值的平均值提高了0.425 和0.618。相比送風溫度，送風風量對于乘客整體熱感覺偏差值提高的效果更為顯著。

根據CRAWSHAW 等[20]人體局部熱感覺權重因子理論，依次選取熱感覺權重因子最大的4 個部位（軀干、頭、大腿和上臂）進行比較，結合整體熱感覺偏差的定義，分析駕駛員和副駕駛員整體熱感覺偏差產生差異的原因，如表4所示。軀干的熱感覺權重因子最大，雖然副駕駛員的軀干當量溫度比駕駛員和舒適區間平均溫度d都要大，但是只相差-2.5～0.9 ℃。而副駕駛員的頭部、大腿和上臂都比駕駛員要低-0.4～3.2 ℃，且更加接近各部位舒適區間平均當量溫度。結合圖6，發現在相同的條件下，副駕駛員皮膚表面溫度都稍微比駕駛員低。所以，副駕駛員整體熱感覺偏差評價要比駕駛員高，同時也說明，在轎車空調設計中，可以把乘客的頭部、上臂、大腿和上臂等部位的快速降溫作為提高乘員熱舒適性優先考慮的條件。

圖6 不同送風風量和溫度乘客各部位溫度

表4 乘客主要身體部位當量溫度

3.2.2 平均空氣齡分析

如圖7所示，在Star-CCM+中編寫函數并進行計算，選取駕駛員對稱截面為分析對象得到乘員艙內平均空氣齡的分布。隨著送風風量從175 m3/h 增加到420 m3/h，乘員艙整體的空氣齡得到明顯減小，說明送風量增大有利于減少空氣駐留的時間，提升空氣的新鮮度和品質。當風量相同時，不同的送風溫度對乘員艙內空氣齡分布影響不大。350 m3/h 送風風量下乘客頭部周圍的空氣齡范圍是20～25 s，腿部及腳部以下空氣齡為26～40 s，車背儲物室與后座椅背部之間形成的相對封閉的小腔室，空氣比較難到達，空氣齡超過50 s。

圖7 乘員艙空氣齡

分析乘員艙流場和空氣齡的關系，如圖8所示，在其他條件相同時，乘員頭部附近空氣齡與送風風量成反比。當送風風量從175 m3/h 提高到420 m3/h時，乘員的頭部附近空氣齡減少了41.7%。而乘員吹面風速與送風風量成正比。當送風風量從175 m3/h 提高到420 m3/h 時，乘員吹面風速分別增加了75.5%，最大達到0.74 m/s，超過0.5 m/s 的最大舒適吹臉風速。過高的吹面風速容易引起乘員臉部的強烈吹風感而感到不適。但是在酷熱環境下，短時間內大風量可以換來乘客和乘員艙的快速降溫，可以接受。

圖8 乘客吹臉風速與空氣齡

4 結論

以某車型為對象，本文通過考慮太陽輻射情況下，基于Star-CCM+自定義整體熱感覺偏差AEQT場函數和平均空氣齡場函數，分析不同送風風量和送風溫度下乘員艙的熱舒適性，得出如下結論：

1）在350 m3/h 風量下，隨著送風溫度的降低，乘客整體熱感覺偏差值提高了0.281～0.464。在送風溫度相同時，當送風風量從 175 m3/h 提高到420 m3/h，乘客整體熱感覺偏差值的平均值提高了0.425～0.618；說明隨著送風溫度或送風風量的提高，乘員身體各部位的平均溫度趨向于熱舒適溫度范圍；

2）送風溫度降低大約可以提高乘客整體熱感覺偏差值0.281～0.464，送風風量的提高可以提高乘客整體熱感覺偏差值0.425～0.618。相比送風溫度，送風風量對于乘客整體熱感覺偏差值提高的效果更為顯著；

3）在其他條件不變時，送風溫度對乘員艙內空氣齡分布影響不大，當送風風量從175 m3/h 提高到420 m3/h 時，乘員的頭部附近空氣齡減少了41.7%，意味著在一定范圍內增大送風風量有利于減少乘員艙內空氣駐留的時間，提升空氣的新鮮度和品質；

4）在夏季酷熱條件下，早期可以適當過度地提高送風風量，換取乘員艙和乘員身體各部位的快速降溫，但當送風風量從175 m3/h 提高到420 m3/h時，乘員吹面風速最大達到0.74 m/s，強烈的吹風感使得大送風風量不宜長時間使用，避免給乘員帶來不舒適感。