蘆克龍,谷正氣2,,賈新建,3,尹郁琦

(1.湖南大學(xué),汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室,長沙 410082; 2.湖南工業(yè)大學(xué),株洲 412007; 3.奇瑞汽車股份有限公司,蕪湖 241006)

前言

汽車空調(diào)的送風(fēng)風(fēng)道是汽車空調(diào)系統(tǒng)中重要的部件之一,其設(shè)計水平直接影響車內(nèi)氣流組織的合理性,從而影響乘員艙的熱舒適性。對空調(diào)各風(fēng)道進行風(fēng)量分析,評價空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理,這對提高乘員艙的熱舒適性有著重要的工程意義。

近年來,氣流在汽車空調(diào)風(fēng)道內(nèi)的流動情況一直備受關(guān)注。目前,隨著計算機和數(shù)值技術(shù)的快速發(fā)展,計算流體動力學(xué)(CFD)則為汽車空氣動力學(xué)的研究開辟了新的途徑。CFD在現(xiàn)代汽車空調(diào)上的應(yīng)用能夠有效地模擬氣流在空調(diào)內(nèi)部流動的情況,這對于汽車空調(diào)的設(shè)計有很大的實用價值,為空調(diào)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

目前,利用CFD方法進行乘員艙熱舒適性方面的研究較多。其中文獻[1]重點研究出風(fēng)口風(fēng)速、風(fēng)口尺寸和安裝位置對乘員艙熱舒適性的影響,并在此基礎(chǔ)上對空調(diào)系統(tǒng)進行改進,提高了乘員艙熱舒適性。但以前的數(shù)值仿真分析,往往沒有把整個空調(diào)系統(tǒng)考慮在內(nèi),沒有考慮風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計對出風(fēng)口流速不均勻性的影響,這與實際情況不符。作者將重型貨車空調(diào)系統(tǒng)和乘員艙作為一個整體,加入駕駛員模型,綜合考慮乘員艙的熱舒適性。

作者以某重型貨車的空調(diào)系統(tǒng)為例,利用商業(yè)軟件Fluent,對空調(diào)系統(tǒng)及乘員艙進行CFD分析,采用當量溫度 Teq,i作為評價指標,對乘員艙熱舒適性進行分析,發(fā)現(xiàn)原空調(diào)系統(tǒng)的各風(fēng)道風(fēng)量分配不均勻,致使乘員艙內(nèi)部氣流組織不合理,熱舒適性較差,于是對空調(diào)系統(tǒng)進行改進,使乘員艙熱舒適性得到明顯改善。

1 空調(diào)系統(tǒng)模型

圖1為該重型貨車空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)包括各風(fēng)道的幾何模型,HVAC采用整體中置式結(jié)構(gòu),其6個出風(fēng)口配合車身風(fēng)道實現(xiàn)左、中、右吹風(fēng)及除霜吹風(fēng),并具備腳部吹風(fēng)功能。HVAC位于整個模型中間,連接著前吹面、左吹面、右吹面、左吹腳、右吹腳和除霜等風(fēng)道。

2 CFD仿真及驗證

2.1 基本控制方程

氣流在HVAC和風(fēng)道內(nèi)的流動是復(fù)雜的三維湍流流動,對湍流的處理采用標準 k-ε雙方程模型。湍流計算的基本控制方程為三維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程,簡稱RANS方程,即

(1)連續(xù)方程為

(2)運動方程為

(3)能量方程為

式中:矢量ui、uj為平均速度分量;v為平均速度;矢量xi、xj為坐標分量;p為流體微元體上的壓力;μeff為湍流有效黏性系數(shù);ρ為空氣密度 (常溫, 1.205kg/m3);T為溫度;cp為比熱容;k為流體的傳熱系數(shù);ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分[2-3]。

2.2 網(wǎng)格生成和邊界條件設(shè)置

文中運用ICEM CFD 10.0來完成網(wǎng)格的劃分,采用Delaunay三角形方法在整個計算流域面生成半結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,同時對曲率變化比較劇烈的曲面處進行網(wǎng)格加密,以提高計算精度。為了研究乘員艙熱舒適性,須要加入簡化乘員艙和駕駛員模型,圖 2為空調(diào)系統(tǒng)和乘員艙網(wǎng)格圖。計算域邊界條件設(shè)置見表 1[4-5]。

表1 計算域邊界條件設(shè)定

2.3 試驗驗證

試驗時不加風(fēng)道,只對HVAC進行檢測。在風(fēng)量性能測試臺上對該重型貨車HVAC總成進行出風(fēng)口風(fēng)量分布檢測。該風(fēng)量性能測試臺用于汽車空調(diào)風(fēng)量分配的性能試驗,滿足標準QC/T 657—2000的要求。被測風(fēng)量范圍為 0～800m3/h,測定精度可達3%。采用CFD軟件Fluent進行仿真。為了與試驗結(jié)果對比,同樣只對HVAC進行仿真。仿真和試驗各風(fēng)道風(fēng)量分配對比結(jié)果見表 2。

表2 仿真和試驗對比(僅考慮HVAC)

試驗檢測時,考慮到密封條件,風(fēng)量有所泄漏。各風(fēng)口總出風(fēng)量小于總風(fēng)量580m3/h。仿真與試驗對比,各風(fēng)口風(fēng)量分配誤差在5%以內(nèi),證明用CFD的方法進行模擬仿真是可行的。

3 空調(diào)系統(tǒng)分析

3.1 熱舒適性評價

近年來國內(nèi)外的研究成果充分證實了人體熱舒適性是多種因素綜合作用的結(jié)果,是一種主觀心理反應(yīng)。空氣的流動直接影響人體皮膚表面與環(huán)境的對流換熱及皮膚表面水分蒸發(fā),即皮膚表面的熱損失,也就對人體熱舒適性產(chǎn)生影響。目前評價全身熱舒適性的指標有多種,其中最常用的是 PMV指標。然而,由于重型貨車乘員艙內(nèi)的空氣流動速度和溫度梯度很大,太陽輻射不對稱,艙內(nèi)熱環(huán)境非常不均勻。因此,采用PMV指標不能評價乘員艙內(nèi)乘員的熱舒適性,需要發(fā)展新的評價指標,這里,采用Teq,i作為新的評價指標。

首先將駕駛員人體分為 16個節(jié)段,計算每個節(jié)段與周圍環(huán)境的熱交換,然后利用局部熱舒適評價指標 i代替全身熱舒適評價指標來研究非均勻環(huán)境中人體熱舒適性問題。強迫對流條件下人體第 i節(jié)段當量溫度Teq,i的計算公式為

式中:Teq,i為人體第i節(jié)段的當量溫度;Ts,i為人體第i節(jié)段的表面溫度;vair,i為人體第 i節(jié)段周圍的空氣速度;Si為第i節(jié)段的表面面積;Ta,i為第i節(jié)段周圍的空氣溫度;σ為斯蒂芬 波爾茲曼常數(shù);εi為第i節(jié)段的發(fā)射率;fi,n為第i節(jié)段對部件表面的角系數(shù); Ti為第i節(jié)段的溫度;Tn為乘員艙內(nèi)部件的溫度; Qsol為人體得到的太陽輻射;hcal,i為在標準環(huán)境下感受器標定的第 i節(jié)段的對流換熱系數(shù),i為人體的節(jié)段[6-7]。

文中模擬工況為高溫下空調(diào)系統(tǒng)制冷狀態(tài)。由式(4)計算駕駛員節(jié)段的Teq,i值,并與文獻[7]規(guī)定的合理 Teq,i值比較。駕駛員大部分節(jié)段的 Teq,i值偏高,其中胸、背、骨盆和左大腿節(jié)段的 Teq,i＞30℃見表 3,已超出文獻[7]規(guī)定的熱舒適范圍。

表3 人體部分節(jié)段Teq,i值 ℃

3.2 空調(diào)系統(tǒng)分析

合理的氣流組織能使車內(nèi)保持合適的溫度和空氣流速范圍,符合人體的舒適感。空調(diào)系統(tǒng)各風(fēng)道風(fēng)量分配決定乘員艙內(nèi)氣流組織,從而影響其熱舒適性。為了改善熱舒適性,應(yīng)從各風(fēng)道風(fēng)量分配著手,考察氣流組織是否合理。

在重型貨車乘員艙內(nèi),為保證行車安全性,駕駛員的熱舒適性應(yīng)優(yōu)先考慮。在保證各出風(fēng)口風(fēng)量分配均勻的前提下,為了保證駕駛員周圍氣流流速,前吹面和左吹面風(fēng)道的風(fēng)量比例不能過低[8]。

將各風(fēng)道模型加入HVAC一起仿真。由于受附加風(fēng)道的影響,各風(fēng)道風(fēng)量比例有所改變,結(jié)果見表4。左吹面風(fēng)道風(fēng)量比例適中,基本符合要求;除霜風(fēng)道風(fēng)量比例偏大,達到 50.3%;前吹面風(fēng)道風(fēng)量比例明顯偏低,僅占1.7%,送風(fēng)效果很差。

表4 仿真風(fēng)量分配

圖3為風(fēng)道內(nèi)的流線圖。由于左吹面和右吹面風(fēng)道的彎道少,故氣流流動較為順暢,壓力損失小,出口流速相對較大;左吹腳和右吹腳風(fēng)道彎曲過多,且壁面曲率較大,導(dǎo)致氣流產(chǎn)生較多漩渦,能量損失大,出口流速偏低;除霜風(fēng)道中部區(qū)域存在較大的漩渦,由圖3可知,高速沖出的氣流從HVAC的3個出口流入除霜風(fēng)道內(nèi)部,又由于除霜風(fēng)道縱向尺寸過短,且其出口為一狹窄的長方形(見圖 1),高速氣流遇到了壁面的阻礙作用而形成漩渦,而后氣流向兩側(cè)分開,出口氣流由兩側(cè)流出。

圖4為前吹面風(fēng)道內(nèi)的流線圖。由于前吹面風(fēng)道相對于其出口(前吹面風(fēng)道和HVAC交接處)而言,位置偏右。從其出口出來的風(fēng)速明顯偏小,加之彎道阻力影響,氣流只能從離其出口距離最近的兩個出口流出,離其出口距離較遠的兩個出口(圖中所指部位)無氣流流出,甚至出現(xiàn)回流。前吹面風(fēng)道風(fēng)量分配比例過低,未達到設(shè)計指標,亟待改進。

圖5為乘員艙上部距地板1 000mm處平面速度分布云圖。從圖 5可看出,該乘員艙氣流組織不合理,氣流漩渦較大,前吹面風(fēng)口風(fēng)速偏小,乘員艙內(nèi)有大片低速區(qū)域,特別是駕駛員軀干部位風(fēng)速低于0.4m/s,不利于熱量交換,致使駕駛員Teq,i值偏高。

4 改進方案

為了增加前吹面風(fēng)道風(fēng)量比例,使流場分布更加合理,改善乘員艙的熱舒適性,須對原空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行改進。

(1)HVAC導(dǎo)流片

HVAC內(nèi)部的導(dǎo)流片對風(fēng)道內(nèi)氣流的流動有很大影響,導(dǎo)流片設(shè)計的好壞直接影響各風(fēng)道出風(fēng)量的大小。分析原空調(diào)系統(tǒng)的流場,HVAC連接前吹面風(fēng)道處的導(dǎo)流片設(shè)計不合理,阻滯氣流進入前吹面風(fēng)道,可考慮去掉此導(dǎo)流片[9]。

(2)前吹面風(fēng)道的位置

風(fēng)道的安裝位置也影響其風(fēng)量分配。改變前吹面風(fēng)道的安裝位置,將前吹面風(fēng)道往下方平移,使得氣流流過HVAC的下部時,直接沖擊前吹面風(fēng)道,從而增加前吹面風(fēng)道的風(fēng)量。

(3)局部曲面曲率

原始前吹面風(fēng)道壁面彎曲過多,曲率較大,導(dǎo)致氣流產(chǎn)生較多的漩渦,能量損失過大,出口流速偏低,有回流。改進局部曲面曲率,能減小壓力損失,使氣流流動順暢,提高風(fēng)口的流速,增加出風(fēng)量。

綜合考慮以上 3種方案,重新計算風(fēng)量分配,其結(jié)果見表5。從表 5可看出,改進后各風(fēng)道風(fēng)量分配趨于合理,前吹面風(fēng)道風(fēng)量比例明顯增大。

表5 綜合改進后風(fēng)量分配

由式(4)計算出改進后駕駛員每節(jié)段的 Teq,i值,并將該值與改進前進行比較,如圖 6所示。圖中兩條黑色粗線為文獻[7]給出的熱舒適性邊界線。改進后,整體 Teq,i值均有一定程度減小,大部分節(jié)段的Teq,i值位于舒適范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)對HVAC進行仿真,將各風(fēng)道風(fēng)量分配與試驗結(jié)果進行對比,其誤差在5%以內(nèi),仿真和試驗吻合較好,驗證了用CFD進行數(shù)值仿真的可行性。

(2)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計水平很大程度上影響乘員艙的熱舒適性。結(jié)構(gòu)設(shè)計決定各風(fēng)道風(fēng)量分配比例,這將直接影響乘員艙內(nèi)氣流組織,進而影響乘員艙熱舒適性。

(3)在空調(diào)各風(fēng)道中,前吹面風(fēng)道風(fēng)量分配比例對乘員艙熱舒適性影響很大。對空調(diào)系統(tǒng)進行局部改進,如去除導(dǎo)流片、改變前吹面風(fēng)道的位置和局部曲面的曲率,這些措施增加了前吹面風(fēng)口的出風(fēng)量,改進后前吹面風(fēng)道風(fēng)量比例提高了 28%,在很大程度上改善了乘員艙的熱舒適性。

[1] Shojaee M H,Tehrani Fard P H.Analysis of Vehic le Passenger Compartment HVAC Using Simulation[C].SAE Paper 2004-01 -1505.

[2] 谷正氣.汽車空氣動力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2004.

[4] Bennett L,Dixon CW S,Watkins S.Modelling and Testing of Air Flow in a HVACModule[C].SAE Paper 2002-01-0156.

[5] Joachim Currle,Jǜrgen Maué.Numerical Study of the Influence of A ir Vent A rea and A ir Mass Flux on the Thermal Com fort of Car Occupants[C].SAE Paper 2000-01-0980.

[6] 靳艷梅,王保國,劉淑艷.車室內(nèi)人體熱舒適性的計算模型[J].人類工效學(xué),2005,11(2):16-19.

[7] 王保國,王新泉,劉淑艷,等.安全人機工程學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.7.

[8] 吳金玉,陳江平.汽車空調(diào)蒸發(fā)器總成及風(fēng)道的數(shù)值研究[J].流體機械,2008,36(7):59-61.

[9] 祁照崗,陳江平,胡偉.汽車空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)CFD研究與優(yōu)化[J].汽車工程,2005,27(1):103-107.