0 前言

    隨著生活水平的提高、汽車市場的成熟、氣候條件的惡劣，用戶越來越多的關(guān)注到汽車空調(diào)熱舒適性。適宜的熱舒適性，可以緩解駕駛疲勞，調(diào)節(jié)情緒，從而提高駕駛安全性�，F(xiàn)階段，隨著消費(fèi)水平的提高，熱舒適性已不僅僅是高端車的衡量標(biāo)準(zhǔn)，而是深入消費(fèi)者內(nèi)心的訴求。

    在研究車輛熱舒適性時，由于內(nèi)外環(huán)境因素的相互影響，同時由于有人體感官的參與，通過實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行分析難度重重，而通過CFD手段則能較好的解決這些問題。通過CFD計(jì)算，能獲取乘員艙的速度場與溫度場信息。乘員艙內(nèi)的速度場、溫度場的分布是研究車室內(nèi)氣流組織以及熱舒適性評價與研究的基礎(chǔ)，其分布與很多因素有關(guān)，如送、回風(fēng)口形式、位置；送、回風(fēng)狀態(tài)、廂體熱特性、乘員艙幾何形狀及熱源分布等。

    目前，美國、歐洲、日本等汽車工業(yè)先進(jìn)的國家和地區(qū)對CFD的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都處于領(lǐng)先水平，國內(nèi)也己利用CFD手段基于PMV評價熱舒適性。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院與奇瑞汽車就轎車熱環(huán)境模擬及風(fēng)口面積對乘客舒適性的影響進(jìn)行了研究，表明改變噴口面積可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)車內(nèi)熱舒適性，空調(diào)設(shè)計(jì)時可以利用這一點(diǎn)來提高冷負(fù)荷的利用率。吉林大學(xué)郭莉鈺以炎熱地區(qū)氣象參數(shù)為例，分析室外氣候和太陽輻射對汽車停放過程的影響狀況，以及采用自然預(yù)冷措施的作用和特征分析。

    絕大多數(shù)的情況都著重考慮了輻射對熱舒適性的影響，并考慮到車身厚度以及車身傳熱系數(shù)等因素的影響，由于整車開發(fā)過程中玻璃的特性參數(shù)及車身的特性參數(shù)不能準(zhǔn)確獲得，對整車開發(fā)產(chǎn)生不利影響，針對于此，本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)和標(biāo)定數(shù)據(jù)，提出一組恒溫壁面邊界條件，利用Star CCM+對乘員艙的速度場與溫度場進(jìn)行CFD計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，對監(jiān)測點(diǎn)的PMV值進(jìn)行計(jì)算，從而評估乘員艙的熱舒適性。

1 數(shù)值計(jì)算理論

    1.1 理論基礎(chǔ)

    本文采用k-ε三維紊流模型方程。為了簡化問題，作如下假設(shè)：①乘員艙內(nèi)空氣為理想氣體；②流動為穩(wěn)態(tài)紊流；③考慮重力影響。

表1 PMV與熱感覺對應(yīng)關(guān)系

    當(dāng)前，由P.O.Fanger推導(dǎo)出的熱舒適性方程可以計(jì)算出人對熱環(huán)境的舒適感覺，并將這種感覺分為7級（見表1）。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的PMV范圍在-0.5～0.5之間，處在這種環(huán)境下人群的預(yù)計(jì)不滿意者比例為不大于10%。目前國內(nèi)一般推薦PMV值在-0.75～0.75之間可視為適宜熱舒適環(huán)境。

    1.2 計(jì)算模型

    針對關(guān)注的特別位置，在模型內(nèi)部創(chuàng)建監(jiān)測點(diǎn)陣（如圖1），獲取每個點(diǎn)陣的速度平均值與溫度平均值的信息，再導(dǎo)入PMV方程中求取表征熱舒適性的PMV值。

圖1 某車型乘員艙監(jiān)測點(diǎn)分布

2 數(shù)值分析及優(yōu)化

    2.1 基礎(chǔ)方案

    圖2為原數(shù)據(jù)方案下的吹面風(fēng)管出風(fēng)口速度分布，可以看出主駕駛側(cè)和副駕駛側(cè)吹面風(fēng)管出風(fēng)口速度較一致，而中間出風(fēng)口的速度一致性較差，右側(cè)出風(fēng)口的風(fēng)速要明顯高于左側(cè)出風(fēng)口。

圖2 某車型基礎(chǔ)方案吹面風(fēng)管出風(fēng)口速度分布

    從表2可看出，在原數(shù)據(jù)方案狀態(tài)下，中間出風(fēng)口右側(cè)阻力低于左側(cè)出風(fēng)口，使得中間出風(fēng)口右側(cè)流量分配高于左側(cè)，對于相同的出風(fēng)口面積，從而導(dǎo)致中間出風(fēng)口右側(cè)風(fēng)速大于左側(cè)。在這樣的影響條件下會導(dǎo)致乘員艙速度均勻性較差，從而導(dǎo)致乘員熱舒適性產(chǎn)生感官上的較大差別。

表2 基礎(chǔ)方案管道流量分配及壓降

    從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，由于速度場的不均勻性，使得溫度場的均勻性受到影響，在熱舒適性上體現(xiàn)為不一致。

表3 基礎(chǔ)方案關(guān)注點(diǎn)熱舒適性參數(shù)

    2.2 優(yōu)化方案

    針對由于流量分配不均而導(dǎo)致的吹面風(fēng)管出風(fēng)口速度差異，通過調(diào)整吹面風(fēng)管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，平衡吹面風(fēng)管各風(fēng)口的流量分配，從而保證從風(fēng)口噴出的氣流速度的一致性（如圖3），為整個乘員艙的流場與溫度場的平衡提供最基本的保證。在此基礎(chǔ)上，分別對優(yōu)化方案的速度場與溫度場信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用PMV方程再次衡量熱舒適性。

圖3 某車型優(yōu)化方案吹面風(fēng)管出風(fēng)口速度分布

表4 優(yōu)化方案管道流量分配及壓降

    通過優(yōu)化，吹面風(fēng)管的流量分配趨于平衡（如表4），乘員艙的溫度場與速度場均勻性得到了改善，關(guān)注點(diǎn)的熱舒適性參數(shù)處于推薦的較適宜區(qū)間（如表5）。

表5 優(yōu)化方案關(guān)注點(diǎn)熱舒適性參數(shù)

3 結(jié)論

    根據(jù)所提出的一組恒溫壁面邊界條件，利用Star CCM+對某車型進(jìn)行CFD計(jì)算，在獲取計(jì)算模型的速度場與溫度場后利用PMV方程求取表征熱舒適性的PMV值。結(jié)果表明，在所提出的邊界條件下，能有效反映吹面風(fēng)管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對乘員艙速度場與溫度場的影響，PMV值對優(yōu)化方案的改動較敏感，該邊界條件能夠作為整車熱舒適性開發(fā)CFD分析的輸入。

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本文標(biāo)題：基于PMV的汽車空調(diào)熱舒適性模擬與優(yōu)化

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