輕卡駕駛室熱舒適性研究與分析

崔錦瓊 陳清華,, 王建剛 王建業

（1.安徽理工大學機械工程學院 淮南 232001；2.廣東立佳實業有限公司 東莞 523000；3.陜汽淮南專用汽車有限公司博士后工作站 淮南 232001）

前言

一直以來，國內外學者對駕駛室熱舒適性問題進行了大量深入研究,主要分為進行熱舒適性實驗[1,2]和計算流體力學（CFD）這兩大類[3,4]。熱舒適性實驗成本高，計算流體力學方法可以降低研發成本，縮短研發周期，在汽車開發中得到廣泛應用。本文以新能源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，駕駛室的流場進行分析，然后對駕駛室的熱舒適性進行分析，充分了解輕型汽車駕駛室的熱舒適性，并提出改善駕駛室舒適性的方案。通過理論分析、仿真分析的方法，對車輛在不同工況下的溫度場分布進行了仿真分析，參考仿真分析結果，可為駕駛室熱舒適性設計提供參考和基本指導，在一定程度上減少試驗方案的盲目性，使試驗方案更加科學、全面降低試驗成本[5-7]。最后的分析結果還能在汽車設計階段提供參考和指導，提高汽車的產品競爭力。

1 數值模擬的計算模型

駕駛室內空氣的流動和熱傳遞滿足質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程．直角坐標系下這3個基本方程可分別表示為：

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

標準 K-ε兩方程：

式中：

ρ—氣體密度，kg/m3；

i、j—張量坐標，分別取1，2，3；

u—氣體速度，m/s；

xi、xj—沿 x、y、z方向的坐標，m；

k—單位質量的湍流動能，J /kg；

ε—湍流動能的耗散速度，m2/s3；

μ、μt—層流、湍流的粘性系數，Pa·s；

p—壓力，Pa。t為時間，s；

Gk—由平均速度梯度產生的湍流動能項kg/（s3·m）；

c1ε，c2ε，cμ，σk，σε—模型常數,分別取為1.44，1.92，0.09，1.00，1. 30。

2 物理模型及邊界條件

2.1 物理模型的建立

采用SOLIDWORKS對系能源輕型卡車駕駛室進行建模，因為駕駛室內熱空氣與外界環境冷空氣之間是一個傳熱過程，故此只對駕駛室內部流體域進行研究，將為外部結構完全忽略，同時為了保證網格質量，減少網格數量，縮短計算時間、提高仿真效率，對駕駛室內結構也進行簡化，保留了駕駛室內座椅這一對內部速度場影響較大的結構。簡化模型如圖1所示，外形尺寸為1330 mm*1580 mm*1425 mm。模型中將四個送風口布置于前部儀表盤上，一個回風口布置于副駕駛腳下側，位置如圖2所示。采用Workbench中自帶的劃分網格軟件Mesh，并使用非結構化網格，在Mesh中選取相應的面進行命名，分別命名為inlet，outlet，cheshen，boli等。最終得到非結構話網格數量微141 萬個。

圖1 駕駛室簡化模型

圖2 邊界口布置圖

2.2 設置邊界條件

在對模型網格劃分完成后，需要對模擬的邊界條件進行設定：設置湍流模型為標準k-ε模型;開啟能量方程、DO太陽輻射模型，設置進風口的邊界類型為速度入口且設置湍流強度為5 %、水力直徑0.09 mm；設置出風口風口的邊界類型為壓力出風口。本文對送風速度、送風溫度兩因素考慮新能源輕型卡車駕駛室內溫度場和速度場的影響，故采用控制變量法設置多種工況對比分析。不同工況分析表如表1。

表1 不同工況分析表

3 仿真結果與分析

觀察對比駕駛室內溫度場和速度場的分布狀況，對于數值模擬計算的結果，本文運用Fluent軟件自帶后處理模塊CFD-POST對駕駛室內的流場計算結果進行可視化操作，便于分析過程更加清晰、明朗。選取司機中間位置中剖面即Z=-480 mm的XY平面為截面A和X=-430 mm的YZ平面為截面B的溫度云圖和駕駛室內部空間流線為主要研究對象。

3.1 不同送風速度對駕駛室內流場的影響

設置出風口溫度15 ℃時，出風口的速度分別為1 m/s、1.5 m/s、2 m/s。在Z=-480 mm截面上觀察不同工況下的速度云圖和駕駛室內的流線圖如圖3，圖4為截面A和截面B下的溫度場。

圖3 不同速度下的流場圖

圖4 不同速度下的溫度場圖

對比圖3中的（a）（b）、（c）可以知道：①三種工況中頭部均出現較大流速，其中工況一為0.05～0.25 m/s，工況二為0.1～0.45 m/s，工況三為0.1～0.5 m/s，一般要求駕駛室內的空氣流速在盡量小于0.5 m/s，以防流速過大產生不適感，三種工況均符合基本要求。②三種工況均在座椅的前方也形成了兩個面積較大的渦流；③工況一A區域上整體速度都特別小，在靠近司機腿部的區域大面積的速度為0 m/s，如果駕駛室內流場速度過小，會使得司機產生無風感，駕駛室內會讓司機感受到悶熱；工況三A區域上整體速度偏大。恰到好處的送風速度，有利于改善駕駛室內部的對流散熱能力。

對比圖4中的（a）（b）、（c）駕駛室截面A溫度分布云圖，在送風速度一致的前提下，改變進風速度大小值，溫度場分布趨勢大致相同，但溫度值大小有差異，對于截面A上的溫度，進風速度為1 m/s，1.5 m/s和2 m/s時，對應的平均溫度值分別為26.8 ℃，25.7 ℃，和25.1 ℃，工況二比工況一的出風口速度高出0.5 m/s，其截面平均溫度下降了約1.1 ℃，工況三比工況二的出風口速度高出0.5 m/s，但是其截面平均溫度只下降了0.6 ℃左右，所以送風速度的提升確實能使駕駛室內溫度場有所降低，駕駛室的溫度場因送風速度的改變影響效果可觀，它是影響駕駛室內溫度場分布的一個重要因素。盡管如此，當送風速度增加到某極限值，其溫度并未成正比下降，這樣降溫效果反而不大明顯。不僅如此送風速度的增大同時會導致司機有強烈的吹風感。從三種工況的截面溫度云圖可以看出，假人的左邊身體部分溫度較高，考慮到可能是因為儀表臺上左邊出風口面積較小的緣故和太陽輻射的原因。三種工況下的溫度云圖均顯示司機的腳部附近總比頭部附近溫度高出大約3～6 ℃，從日常經驗來判斷駕駛室的溫度場分布相對恰當，與大眾的乘坐感受理念“頭涼腳暖”一致。

3.2 不同送風口溫度對駕駛室流場的影響

圖5中的（a）（b）、（c）分別給出風口速度為1.5 m/s時，出風口溫度為12 ℃、15 ℃、18 ℃下截面A上的速度等值線圖和駕駛室內的流線圖。圖7中的（a）（b）、（c）分別給截面A和截面B上的溫度云圖。

圖5 不同速度下的流場圖

對比圖6中的（a）（b）、（c）不難發現：在Z=-480 mm截面上出風口速度一定的前提條件下、改變出風溫度，其速度等值線云圖和駕駛室內流線圖不僅分布狀態沒發生變化，速度值大小也未發生改變。所以可得出了駕駛室內的速度場不會受空調的送風溫度的影響。

圖6 不同速度下的溫度場圖

對比圖6中的（a）（b）、（c）難發現，在出風速度相同的條件下，改變出風口溫度值，其截面的溫度云圖發生了很大的改變，送風溫度的變化會影響到整個駕駛室內的溫度場分布情況及數值大小，對改善司機熱舒適性起到關鍵作用。由上圖可知，不同的送風溫度下，駕駛室的溫度場的分布變化情況不大，且體感溫度都在舒適的范圍內。從截面A和截面B溫度云圖中顯然可以看出，當增大了送風溫度時，駕駛室內的整體溫度都在升高，這表明了送風溫度對駕駛室的溫度有著正相關的作用。從溫度云圖上看出基本滿足“頭涼腳暖”的熱舒適性要求。

4 總結

研究表明，送風速度對駕駛室內溫度場和速度場的分布存在影響，當送風速度每增加0.5 m/s，主要截面的平均溫度大約下降1.1 ℃，且送風速度的增大能夠有效改善司機身體各部位的溫度均勻性，送風速度的最小值應使駕駛室內空氣充分流動才能滿足舒適度要求。送風溫度對駕駛室內溫度值影響非常大，對于速度分布及速度值的影響都較小。