陳吉清，郭巧嫣，李麗芬, 揭敢新，王俊，張曉東

(1. 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640； 2. 中國(guó)電器科學(xué)研究院工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 5106631)

?

2015213

老化試驗(yàn)過程中汽車內(nèi)外表面?zhèn)鳠崽匦院蜏囟葓?chǎng)變化的研究*

陳吉清1，郭巧嫣1，李麗芬1, 揭敢新2，王俊2，張曉東2

(1. 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640； 2. 中國(guó)電器科學(xué)研究院工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 5106631)

針對(duì)目前汽車氣候老化研究仍處于耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、操作難度大的試驗(yàn)階段，在時(shí)間和空間上都是離散的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，無法全面、準(zhǔn)確地描述汽車整車或零部件的抗老化性能的問題，提出了一種汽車氣候老化的數(shù)值研究方法?；谄囌嚉夂蚶匣囼?yàn)，在考慮了自然環(huán)境因素(如太陽輻射、水分、氣溫、風(fēng)速等)，車內(nèi)熱輻射的多次反射和車內(nèi)空氣吸熱、傳熱的影響的條件下，建立了自然曝曬下汽車內(nèi)外表面的傳熱模型，并進(jìn)行仿真和測(cè)試，仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致。仿真和測(cè)試的結(jié)果，得到了車身外表面溫度分布和傳熱特性及其主要影響因素，對(duì)比了熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)3種傳熱方式的強(qiáng)度和總傳熱量，確定了零部件表面溫度場(chǎng)中局部高溫點(diǎn)、低溫點(diǎn)的位置。該數(shù)值方法和仿真模型可用于預(yù)測(cè)和評(píng)估各種典型氣候下汽車的耐候性。

汽車耐候性；老化試驗(yàn)；傳熱特性；溫度場(chǎng)

前言

老化試驗(yàn)是檢測(cè)和評(píng)價(jià)各種典型氣候環(huán)境中汽車整車和零部件工作性能和使用壽命的環(huán)境試驗(yàn)。世界汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車消費(fèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈?guī)?dòng)大量的汽車氣候老化研究。通用、福特和大眾等都已經(jīng)建立了公司內(nèi)部氣候老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。國(guó)內(nèi)部分汽車企業(yè)也開始了以控制零部件的老化性能為主、整車戶外曝曬評(píng)價(jià)為輔的汽車內(nèi)外飾材料耐候性和耐老化性試驗(yàn)[3-7]。戶外氣候老化試驗(yàn)結(jié)果最接近汽車實(shí)際使用情況，但試驗(yàn)研究方法存在耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、操作難度大等缺點(diǎn)，阻礙了汽車零部件老化機(jī)制研究的深入開展。

汽車的氣候老化試驗(yàn)要求在典型的自然氣候條件下進(jìn)行，試驗(yàn)車輛要在代表沙漠氣候、濕熱氣候和酸雨環(huán)境等典型氣候的試驗(yàn)場(chǎng)中接受長(zhǎng)達(dá)1～2年的戶外曝曬，試驗(yàn)條件要求苛刻、操作難度大、成本高，時(shí)間跨度大；由于天氣變化無法控制，所以試驗(yàn)的重復(fù)性差；由于無法對(duì)汽車表面溫度變化進(jìn)行定性的預(yù)測(cè)，導(dǎo)致試驗(yàn)布點(diǎn)、測(cè)量周期和測(cè)量規(guī)模的制定缺乏科學(xué)的依據(jù)，離散的試驗(yàn)結(jié)果不能準(zhǔn)確、全面地反映汽車零部件的老化程度。

上述問題限制了對(duì)汽車?yán)匣瘷C(jī)制的深入研究、拉長(zhǎng)了新車型的開發(fā)周期、增加了新車的開發(fā)成本，不利于建立我國(guó)統(tǒng)一的汽車氣候老化試驗(yàn)及評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)熱問題研究的深入，數(shù)值方法在汽車熱問題上已有所應(yīng)用，主要集中在分析汽車內(nèi)部空間的熱流場(chǎng)[8-10]，但缺乏對(duì)汽車零部件表面?zhèn)鳠崽匦院蜏囟葓?chǎng)的研究。汽車氣候老化研究往往更關(guān)心在長(zhǎng)時(shí)間不同氣候條件的影響下，汽車表面溫度場(chǎng)的分布和極端溫度工況。這方面國(guó)內(nèi)外尚未有更深入的研究探索。零部件表面的溫度和吸收的太陽輻射能是加速汽車?yán)匣闹饕蛩?，也是預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)汽車整車和零部件抗老化性的重要指標(biāo)。

本團(tuán)隊(duì)與工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，在氣候老化試驗(yàn)方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出汽車外表面熱響應(yīng)的數(shù)值研究方法，建立了自然曝曬中汽車內(nèi)外表面的傳熱模型，考慮了自然環(huán)境因素(如太陽輻射、水分、氣溫和空氣流速、流向等)，車內(nèi)熱輻射的多次反射和車內(nèi)空氣吸熱、傳熱的影響，應(yīng)用三維熱仿真軟件RadTherm模擬計(jì)算自然環(huán)境中汽車部件表面熱傳遞過程，得到汽車部件表面的吸熱、散熱情況和溫度場(chǎng)的變化，對(duì)比熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)3種傳熱方式對(duì)汽車外飾件表面溫度場(chǎng)的影響，分析重要零部件表面的傳熱特性、溫度場(chǎng)分布、高溫區(qū)和低溫區(qū)等影響汽車?yán)匣闹匾獏?shù)。仿真結(jié)果用于指導(dǎo)零部件選材和制定汽車氣候老化試驗(yàn)方案，合理選取重要零部件表面溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置和數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)減少試驗(yàn)耗時(shí)和成本的目的，推動(dòng)對(duì)汽車整車和零部件老化機(jī)制的深入研究。

1 汽車整車氣候老化試驗(yàn)

汽車氣候老化試驗(yàn)包括整車氣候老化試驗(yàn)、零部件氣候老化試驗(yàn)和材料氣候老化試驗(yàn)，又可細(xì)分為自然暴露試驗(yàn)、自然加速暴露試驗(yàn)和人工加速氣候老化試驗(yàn)等。本文將對(duì)典型濕熱氣候下的試驗(yàn)是在海南瓊海自然環(huán)境下進(jìn)行的。

暴露試驗(yàn)場(chǎng)遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)和居民區(qū)，以免受到腐蝕氣體和雜質(zhì)的作用。它配備完美的排水系統(tǒng)，能及時(shí)排除雨水，防止在停車處形成局部小環(huán)境氣候。試驗(yàn)車輛停放在平坦空曠的草地上，遠(yuǎn)離建筑物和樹木。此外，為了使整車盡可能處于最嚴(yán)酷的狀態(tài)，車輛的前風(fēng)窗玻璃朝向正南方，且試驗(yàn)車輛之間互不遮擋陽光，間隔距離至少為其相鄰車輛最高高度的3倍，保證通風(fēng)。試驗(yàn)時(shí)，車門、車窗和通風(fēng)系統(tǒng)緊密關(guān)閉，卷起遮陽簾等遮光物。

2 自然環(huán)境下汽車傳熱模型

2.1 幾何模型建立

以某轎車為原型，創(chuàng)建幾何模型。模型長(zhǎng)3 988mm，寬2 085mm，高1 479mm，包括車內(nèi)、外零部件共49個(gè)，見圖1。為了減小建模的工作量和數(shù)值仿真的計(jì)算量，忽略了車門把手、換擋桿等零部件。

2.2 數(shù)值模型建立

2.2.1 天氣數(shù)據(jù)參數(shù)

太陽輻射、溫度和濕度是影響汽車氣候老化的主要環(huán)境因素?？諝庵械膲m埃、污染物和霉菌等二級(jí)因素也會(huì)加速汽車零部件的老化，但影響程度較小。材料的老化是環(huán)境因素和二級(jí)因素共同作用的結(jié)果，且其中的影響機(jī)理因材料不同而存在差異。

我國(guó)幅員遼闊，氣候條件區(qū)域性明顯，汽車既可能在海南的炎熱天氣下工作，也可能在黑龍江的嚴(yán)寒天氣下工作。不同天氣條件下汽車部件表面熱負(fù)荷的仿真方法和仿真過程基本一致，所以本文中只對(duì)汽車在我國(guó)高溫戶外停放時(shí)其外表面對(duì)環(huán)境負(fù)荷的熱響應(yīng)進(jìn)行仿真。將南方夏季某天的天氣信息以特定的格式導(dǎo)入RadTherm中，這些信息涵蓋了大氣溫度、相對(duì)濕度、太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境風(fēng)速與風(fēng)向和降雨量等信息。另外，還可選用軟件自帶的太陽模型，模擬再現(xiàn)大氣溫度、濕度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)向、風(fēng)速、云層厚度、長(zhǎng)波紅外輻射強(qiáng)度和降雨量等氣象變化。

RadTherm已用于建筑窗戶玻璃、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙等方面的熱問題[11-15]，在太陽輻射下汽車表面的熱負(fù)荷上也有應(yīng)用[16-17]。

2.2.2 傳熱數(shù)值模型

輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)是3種基本的熱傳遞方式，當(dāng)然也存在于自然暴露下的車身外表面熱響應(yīng)過程中。太陽光是汽車零部件在戶外自然環(huán)境中停放時(shí)的主要熱量來源，RadTherm通過用戶導(dǎo)入的氣象數(shù)據(jù)或自帶太陽模型模擬真實(shí)的太陽輻射。車身外表面受到太陽的直射及散射、經(jīng)云層過濾后的天空輻射和環(huán)境輻射等，由于在進(jìn)行老化試驗(yàn)時(shí)汽車停放在空曠的草地上，所以忽略樹木、建筑物的遮擋和環(huán)境輻射。汽車內(nèi)飾件則受到通過車窗玻璃的太陽光的照射。除了受太陽輻射的影響，汽車零部件之間也始終在進(jìn)行著相互的熱輻射。輻射傳熱量為

φr,i=Ai(αicosθiGD+αiGd+

(1)

式中:i和j為網(wǎng)格單元編號(hào)；A為面積；α為輻射能吸收率；θ為太陽直射入射角；GD為太陽直射輻照密度；Gd為太陽散射輻照密度；σ為史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；Fs為網(wǎng)格單元與天空的角系數(shù)；TS為天空溫度；m為汽車外表面單元數(shù)；Fij為單元j對(duì)單元i的角系數(shù)；ε為表面輻射發(fā)射率。

先進(jìn)的光線跟蹤算法是RadTherm軟件的一大特點(diǎn)，該算法用于計(jì)算角系數(shù)，可模擬多次反射的熱輻射現(xiàn)象。角系數(shù)是輻射傳熱計(jì)算中一個(gè)重要幾何因子，表示某表面散發(fā)的輻射能落到另一表面上的百分比。角系數(shù)與物體表面的溫度及發(fā)射率無關(guān)。RadTherm中，角系數(shù)的計(jì)算精度取決于單元上的視點(diǎn)數(shù)和從視點(diǎn)發(fā)射的射線數(shù)。RadTherm先將網(wǎng)格單元?jiǎng)澐殖啥鄠€(gè)子區(qū)域，然后在每個(gè)區(qū)域內(nèi)布置一個(gè)或多個(gè)視點(diǎn)，三角形和四邊形網(wǎng)格單元的視點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)48個(gè)和64個(gè)，示意圖見圖2。用戶還可以調(diào)整每個(gè)視點(diǎn)所發(fā)出的射線數(shù)量。網(wǎng)格單元所發(fā)射的射線總數(shù)越多，角系數(shù)的計(jì)算精度就越高，但計(jì)算速度也會(huì)相對(duì)變慢。在本計(jì)算模型中，每個(gè)面網(wǎng)格單元只有一個(gè)視點(diǎn)且只射出一條射線。

根據(jù)流體流動(dòng)的起因、有無相變、流動(dòng)狀態(tài)、流體的物理性質(zhì)和換熱表面的幾何因素，可將對(duì)流傳熱現(xiàn)象劃分成多種類別。針對(duì)對(duì)流傳熱情況的復(fù)雜多樣，RadTherm內(nèi)置了多種對(duì)流傳熱模型，可以模擬無對(duì)流傳熱、小湍流強(qiáng)度對(duì)流傳熱、線性對(duì)流傳熱和冪律對(duì)流傳熱等熱交換過程。用戶選擇研究對(duì)象的表面的對(duì)流傳熱形式后，Radtherm通過其自帶的對(duì)流傳熱函數(shù)庫(kù)計(jì)算得到對(duì)流傳熱系數(shù)。

汽車外飾件與流過其表面的空氣、雨水發(fā)生對(duì)流換熱，將其表面的對(duì)流模式設(shè)置為自然風(fēng)模式(WIND)，RadTherm會(huì)根據(jù)自然風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向和零部件的幾何特征來計(jì)算實(shí)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。自然風(fēng)模式下又有線性對(duì)流傳熱、小湍流強(qiáng)度對(duì)流傳熱和冪律對(duì)流傳熱3種傳熱模型可以選擇。線性對(duì)流傳熱模型中對(duì)流傳熱系數(shù)隨著流體流速的加快而增大，可用于模擬汽車行駛時(shí)表面的對(duì)流傳熱過程。汽車外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)為

h=C1+C2v

(2)

對(duì)應(yīng)的對(duì)流傳熱量為

φc,i=Aih(Tf-Ti)

(3)

式中:C1和C2為常數(shù)，取麥克亞當(dāng)豎平板對(duì)流模型中的數(shù)值，C1=5.7W/(m2·K)，C2=3.8W·s/(m3·K)；v為空氣流速；Tf為流體溫度。老化試驗(yàn)時(shí)，車門、車窗緊閉，車內(nèi)空調(diào)關(guān)閉，車內(nèi)零部件表面與車內(nèi)空氣之間的對(duì)流強(qiáng)度微弱，所以將車內(nèi)空氣簡(jiǎn)化成各處溫度相同、靜止的空氣團(tuán)，將零部件表面的對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)定為1～3W/(m2·K)之間的恒定值。

熱傳導(dǎo)發(fā)生在零部件的內(nèi)部、表面及相互接觸的零部件之間。RadTherm中常用的模型類型有單面模型、標(biāo)準(zhǔn)雙面模型、高熱導(dǎo)率模型和多層模型等。單面模型中，物體的一個(gè)表面處于絕熱狀態(tài)，不發(fā)生熱傳遞，而且在厚度方向也沒有熱量的流動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)雙面模型和多層模型中在兩個(gè)表面上和內(nèi)部都有熱量的流動(dòng)。相鄰零部件間的熱傳導(dǎo)受它們的結(jié)構(gòu)和接觸方式影響。在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，不同結(jié)構(gòu)的零部件間熱傳導(dǎo)方式如圖3所示。

網(wǎng)格單元的傳導(dǎo)傳熱量為

(4)

式中:λ為導(dǎo)熱率；n為與單元i相接觸的單元數(shù)；k為與單元i相接觸的單元編號(hào)；Aik為單元i與單元k的接觸面積；lik為單元i與單元k的中心距。

車身外表面還受到地面的直接輻射，在沒有太陽輻射的晚上，地面直接輻射的影響更為突出。因此緊貼4個(gè)車輪創(chuàng)建了地面模型。

2.2.3 零部件材料參數(shù)

汽車輕量化是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題，汽車塑料化是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的一個(gè)重要手段。汽車內(nèi)飾件大多使用塑料制造，且塑料的使用正向車身覆蓋件和結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展。表1是部分零部件制造材料和熱物理參數(shù)。材料的密度和比熱影響物體的熱容量，同體積的物體密度和比熱越大，則其熱容量越大。當(dāng)吸收或放出等量的熱量時(shí)，大熱容量的物體溫度波動(dòng)小。熱量在物體內(nèi)部的傳導(dǎo)速度受熱導(dǎo)率的影響，熱導(dǎo)率越大熱量擴(kuò)散越快，溫度越均勻。頂棚、地板和車門一般由多層材料組成，在滿足具備支撐、承載等要求之余，還起到隔熱和隔音作用。表2為頂棚各層結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)。

表1 部分汽車零部件的材料參數(shù)

表2 頂棚各層結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與仿真結(jié)果分析

由于在夜間沒有受到太陽光的照射，車身外表面處于低溫、小波動(dòng)狀態(tài)，所以忽略這一時(shí)段內(nèi)環(huán)境因素對(duì)零部件老化的影響。只對(duì)3：00-23：00時(shí)段內(nèi)車身外表面在自然環(huán)境因素作用下的傳熱情況進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行了整車自然暴露試驗(yàn)，采集車身外飾件的表面溫度變化，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。暴露試驗(yàn)在我國(guó)南方典型的濕熱氣候下進(jìn)行，試驗(yàn)條件如上所述。9個(gè)零部件表面最高溫度的仿真值與實(shí)測(cè)溫度值的對(duì)比結(jié)果見表3，右前車燈與右后車燈的相對(duì)偏差較大，但其絕對(duì)值仍小于10%，可認(rèn)為仿真結(jié)果與試驗(yàn)基本一致。

零部件名稱仿真值/℃試驗(yàn)值/℃相對(duì)偏差/%前保險(xiǎn)杠63.459.46.73右前車燈46.851.9-9.83后視鏡鏡框57.857.70.17右后車燈50.455.4-9.03前輪護(hù)罩40.743.9-7.29后保險(xiǎn)杠58.661.3-4.40車頂密封條73.174.0-1.22車頂中部74.574.7-0.27發(fā)動(dòng)機(jī)罩75.375.8-0.66

3.2 車身外表面太陽輻射和平均溫度變化

圖5為3：00-23：00期間發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車頂和行李箱蓋表面平均溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖可見，發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車頂和行李廂蓋的表面平均溫度變化趨勢(shì)相似，且最高溫度均在70～75℃范圍內(nèi)。零部件所吸收的熱量主要來自太陽光，其溫度受太陽輻射的影響較大。6：00之前和20：00以后太陽輻射強(qiáng)度為零，在這兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，零部件的溫度相對(duì)較穩(wěn)定；6：00過后，太陽光逐漸強(qiáng)烈，零部件表面溫度也隨之上升；中午時(shí)分，太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到最大，零部件表面也相應(yīng)地達(dá)到最高溫；午后，太陽輻射強(qiáng)度不斷減弱，零部件表面溫度也逐漸下降。車身的儲(chǔ)熱能力小，在自然環(huán)境中受到風(fēng)速、風(fēng)向等時(shí)變因素的影響，因此零部件表面溫度在增大或減小的過程出現(xiàn)了溫度波動(dòng)。

3.3 汽車外表面?zhèn)鳠崽匦?/p>

圖6和圖7分別是發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前保險(xiǎn)杠表面的傳熱強(qiáng)度(即熱流量)和溫度變化曲線。熱流量是單位時(shí)間內(nèi)通過某一給定面積的熱量，是面積、溫差和熱物理參數(shù)的函數(shù)。當(dāng)物體從周圍吸收熱量時(shí)，熱流量為正值，反之則為負(fù)值。兩者的表面溫度平均值都是在接近14:00時(shí)，達(dá)到最大值。發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面最高平均溫度74.5℃，前保險(xiǎn)杠表面最高平均溫度51.7℃。前保險(xiǎn)杠表面吸收的太陽輻射能曲線有較大波動(dòng)，在9：00-11：40不足3h的時(shí)間內(nèi)，從359.7降至182.0W，降幅近一半。其表面溫度也相應(yīng)逐漸降低，但由于對(duì)流散熱量和輻射散熱量也出現(xiàn)不同程度的減少，反而使前保險(xiǎn)杠表面在14:00左右出現(xiàn)一個(gè)溫度高峰。而發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面的太陽輻射能變化平緩，在11：15時(shí)達(dá)到最大。前保險(xiǎn)杠的水平傾角接近90°，發(fā)動(dòng)機(jī)罩的水平傾角極小。這說明車身外飾件表面的水平傾角越大，越容易引起其表面太陽輻射能大幅波動(dòng)，如果長(zhǎng)時(shí)間在大的太陽輻射能變化下運(yùn)行，可能加速零部件的老化。

物體與周圍環(huán)境的溫差影響熱交換的強(qiáng)度，不同傳熱方式受影響程度不同。在相同的溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面的對(duì)流傳熱強(qiáng)度最大，其次是輻射傳熱，而通過傳導(dǎo)傳熱強(qiáng)度最小。

圖8和圖9分別顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前保險(xiǎn)杠表面的吸熱量和散熱量隨時(shí)間的變化情況，從中可以分析不同傳熱方式對(duì)零部件表面散熱的貢獻(xiàn)。仿真時(shí)段內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前保險(xiǎn)杠分別吸收太陽輻射能531.3和134.8kJ，這主要是由于兩者表面積的差異造成的。

對(duì)比圖8和圖9可知，不同傳熱方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前保險(xiǎn)杠表面熱交換的作用和貢獻(xiàn)大小不同。發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面的輻射散熱量、對(duì)流散熱量和傳導(dǎo)散熱分別是244.4，233.9和52.9kJ，分別占總散熱量的46%，44%和10%。前保險(xiǎn)杠表面的輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)散熱量分別是55.6，79.4和-0.3kJ，分別占總散熱量的41.3%，58.9%和-0.2%。熱輻射和熱對(duì)流是發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前保險(xiǎn)杠向外散熱的主要途徑。對(duì)于減小發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面的熱負(fù)荷，熱輻射和熱對(duì)流的作用基本持平，但在前保險(xiǎn)杠的散熱過程中，熱對(duì)流的作用明顯要大于熱輻射。相比之下，熱傳導(dǎo)對(duì)零部件表面散熱作用要小得多，甚至前保險(xiǎn)杠還通過熱傳導(dǎo)方式吸收少量的熱量。

3.4 車身外表面溫度場(chǎng)

仿真還得到各個(gè)時(shí)刻汽車零部件表面溫度分布，圖10為13:00時(shí)車身外表面的溫度分布情況。圖11和圖12分別是發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前保險(xiǎn)杠在8:00,11:00,14:00和17:00時(shí)的表面溫度分布情況。圖10和圖11(c)中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩中部出現(xiàn)了較明顯的高溫區(qū)，表面溫度梯度較大。在其他時(shí)段，發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面的溫度總體分布較均勻，未出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)或低溫區(qū)。因此，溫度傳感器應(yīng)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)罩靠近中部的位置。而前保險(xiǎn)杠表面的溫度不均勻程度較高，低溫點(diǎn)出現(xiàn)在兩側(cè)，11:00和14:00時(shí)其中上部出現(xiàn)了高溫區(qū)。

4 結(jié)論

基于汽車整車氣候老化的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立自然曝曬下汽車內(nèi)外表面的傳熱模型，對(duì)濕熱氣候下零部件表面的傳熱特性和溫度場(chǎng)變化進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果與離散的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，并得到任意時(shí)刻、任意位置車身外表面?zhèn)鳠崽匦?、溫度分布和太陽輻射能分布的變化情況，對(duì)比分析熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)對(duì)零部件表面溫度場(chǎng)的影響強(qiáng)度和機(jī)理，確定零部件表面局部高、低溫的位置。研究表明該數(shù)值方法極大地彌補(bǔ)了汽車氣候老化試驗(yàn)方法的不足，為制訂老化試驗(yàn)方案和零部件選材提供指導(dǎo)，降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期；該方法還可應(yīng)用于各種自然氣候下和人工加速老化試驗(yàn)中汽車零部件抗老化性能的研究。

車身外飾件表面的水平傾角越大，越容易引起其表面太陽輻射能的大幅波動(dòng)，可能會(huì)加速零部件的老化。水平傾角接近90°的前保險(xiǎn)杠在9：00-11：40不足3h的時(shí)間內(nèi)，表面的太陽輻射能從359.7降至182.0W，降低近一半。而水平傾角接近為零的發(fā)動(dòng)機(jī)罩沒有出現(xiàn)明顯的表面太陽輻射能波動(dòng)。

熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的強(qiáng)度和傳熱量等汽車零部件材料的傳熱特性決定了其表面的溫度分布，但對(duì)不同的零部件的影響存在差異。對(duì)于汽車外飾件而言，熱輻射和熱對(duì)流是零部件散發(fā)熱量、減小熱負(fù)荷的主要途徑，而熱傳導(dǎo)的作用較小。發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面總散熱量中輻射傳熱占46%，對(duì)流傳熱占44%，傳導(dǎo)傳熱占10%，而在前保險(xiǎn)杠總散熱量中的比例分別是41.3%，58.9%和-0.2%。

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A Research on the Heat Transfer Characteristics and Temperature Field Change of Vehicle Internal and External Surfaces During Ageing Test

Chen Jiqing1, Guo Qiaoyan1, Li Lifen1, Jie Ganxin2, Wang Jun2& Zhang Xiaodong2

1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,SouthChineUniversityofTechnology,Guangzhou510640;2.StateKeyLabofEnvironmentalAdaptabilityforIndustrialProducts,ChinaElectricApparatusResearchInstitute,Guangzhou510663

In view of the problem that the current researches on vehicle weathering aging is still at an experimental stage with the features of time consuming, high cost and difficult operation, and test data, being discrete in both time and space domains, cannot thoroughly and accurately describe the aging resistance performance of vehicle and its components, a numerical research method for vehicle weathering aging is proposed. Based on vehicle weathering aging test and under a condition of considering the effects of natural environmental factors (solar radiation, humility, air temperature and wind velocity) and the multiple reflection of heat radiation and air heat absorption and transfer within the vehicle, a heat transfer model for both interior and exterior surfaces of vehicle under the natural exposure to the sun is built, and both simulation and test are conducted with the results coincide to each other. As a result, the temperature distribution and heat transfer characteristics of the exterior surfaces of vehicle body and their main influencing factors are obtained; the intensities and total amounts of three modes of heat transfer (heat radiation, heat convection and heat conduction) are compared; and the positions of local high and low temperature points in the surface temperature field of components are located. The numerical method proposed and simulation model built can be used for predicting and evaluating the weather resistance of vehicles under various typical weathers.

vehicle weather resistance; ageing test; heat transfer characteristics; temperature field

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51375170)和工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助。

原稿收到日期為2014年4月11日。