陳鴻明

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

0 引言

汽車空調(diào)最大制冷能力是整車空調(diào)的關(guān)鍵性能之一，如果設(shè)計較差，會導(dǎo)致空調(diào)制冷效果不好，直接影響客戶的感知體驗。目前，最大制冷性能基本上是通過實車試驗進行驗證[1-7]，然后再通過夏季路試進行主觀舒適性評估。常規(guī)的開發(fā)流程在設(shè)計前期沒有對人體舒適性進行虛擬仿真[8-12]，而且由于參加路試的測試人員的體型、胖瘦以及性別的不同都會導(dǎo)致評估結(jié)果不一致，無法完全表征出所有人的舒適性[13-16]。

本文通過對前期最大制冷舒適性能的仿真模擬，能夠在早期階段介入舒適性評估，通過客觀分析同一個人體模型而得到最大制冷的舒適性，具有很好的一致性，對于前期空調(diào)最大制冷的設(shè)計有更好的指導(dǎo)意義[17-20]。

1 舒適性評估參數(shù)和舒適性模型介紹

1.1 溫度冷感指標(biāo)

熱環(huán)境綜合評價指標(biāo)（PMV）是一個溫度冷感指標(biāo)，用來反映人的感知度，在ISO-7730標(biāo)準(zhǔn)中，從-3（冷感）到 0（中間感受）到+3（熱感）共 7個階段的舒適評價。Taitherm軟件從-3到+3擴展為-4到+4，如圖1所示增加非常熱和非常冷兩個溫度指標(biāo)。

圖1 熱感知度

1.2 舒適性模型

采用Taitherm軟件內(nèi)的BerkeleySegment模型，建立人體舒適性模型；此模型可以把人體分為 21部分，如圖2所示；該模型各部分包含16層的邊界層（包括表皮、脂肪、肌肉和骨骼等），可以根據(jù)當(dāng)前的溫度、濕度、速度和人體的新陳代謝，綜合計算轉(zhuǎn)化成人體的感知度來給出舒適性的評估。

圖2 人體模型部位劃分

2 最大制冷耦合計算分析

為了得到準(zhǔn)確的舒適性結(jié)果，首先要基于虛擬仿真得到最大制冷性能的溫度場和流場；由于整個試驗涉及到熱輻射和對流，為了更加準(zhǔn)確，基于Fluent和Taitherm 兩個軟件進行耦合計算，在耦合之前需要簡化模型用于 Fluent和 Taitherm 計算分析的網(wǎng)格模型。

2.1 網(wǎng)格模型

Fluent流場網(wǎng)格首先需要把駕駛艙內(nèi)氣流能夠接觸到的區(qū)域簡化出來，汽車出風(fēng)口和風(fēng)道及空調(diào)箱體等，涉及到氣流區(qū)域的面生成大小為2 mm左右的三角形網(wǎng)格，其他區(qū)域可以在15 mm左右，區(qū)域之間均勻過度，F(xiàn)luent網(wǎng)格簡化完成后如圖3所示。

Taitherm網(wǎng)格基于流體網(wǎng)格進行更改，提取熱輻射所關(guān)注的駕駛艙內(nèi)部件，主要包括前擋風(fēng)玻璃、后側(cè)擋風(fēng)玻璃、側(cè)擋風(fēng)玻璃、儀表板、地毯、座椅、假人模型生成以四邊形為主的網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為15 mm左右，由于不涉及到流體，所以簡化模型可以去掉空調(diào)箱及相應(yīng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，Taitherm簡化后的網(wǎng)格模型如圖4所示。

2.2 熄火曬車模擬

圖3 Fluent網(wǎng)格模型

圖4 Taitherm網(wǎng)格模型

網(wǎng)格完成后，首先要模擬整車熄火曬車工況，通過Taitherm和Fluent進行耦合計算，由于要模擬熱輻射，對模型上方進行光照設(shè)置，使車頂能夠接收到1,000 W/m2的光照，模型計算是基于環(huán)境溫度為38 ℃、光照為1,000 W/m2的條件下進行瞬態(tài)模擬，前后擋風(fēng)玻璃要設(shè)置為半透明模型，并根據(jù)玻璃屬性設(shè)置前擋風(fēng)玻璃吸收率為0.3和透射率為0.6（根據(jù)實際玻璃的屬性進行設(shè)置），設(shè)置前擋風(fēng)玻璃的厚度為 3.5 mm和相應(yīng)的材料屬性，另外設(shè)置儀表板、地毯相應(yīng)材料屬性和厚度及表面屬性吸收率。為了進行耦合模擬計算，首先通過Fluent計算出穩(wěn)定的流場結(jié)果，導(dǎo)出 5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min和60 min的對流換熱系數(shù)給Taitherm，根據(jù)對流換熱系數(shù)進行瞬態(tài)計算，計算完成后，再把相應(yīng)的壁面溫度再導(dǎo)給Fluent流場模型，F(xiàn)luent通過導(dǎo)入的壁面溫度，穩(wěn)態(tài)計算后，導(dǎo)出相應(yīng)的對流換熱系數(shù)給Taitherm模型，如此步驟進行多輪耦合，直到壁面溫度達到穩(wěn)定，如下為某款車型的熄火曬車的工況耦合穩(wěn)定后的Taitherm瞬態(tài)計算結(jié)果，如圖5所示。

圖5 Taitherm熄火曬車工況瞬態(tài)計算

瞬態(tài)計算結(jié)果能夠反映出車輛浸置在 38 ℃環(huán)境溫度、60 min內(nèi)受光照熱輻射后的艙內(nèi)溫度的變化，通過和實車相同測點位置溫度進行對比，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 熄火曬車工況虛擬與測試值對比

實車P1、P2、P3和P4測點位置如圖7所示。通過對比可以看出，耦合計算得到的虛擬結(jié)果基本能夠和實際試驗一致性很好，溫度誤差小于 5%，此熄火曬車虛擬結(jié)果可以作為最大制冷工況的初始條件。

圖7 測點位置示意圖

2.3 空調(diào)最大制冷的模擬

首先對Fluent模型根據(jù)出風(fēng)口的溫度進行虛擬分析，通過一維仿真計算或相關(guān)試驗給出空調(diào)出風(fēng)口溫度和風(fēng)量，并根據(jù)相應(yīng)的曲線提取 5 min、10 min、15 min和20 min出風(fēng)口的溫度作為Fluent流場的進口邊界條件，如圖8所示根據(jù)出風(fēng)口溫度試驗值進行提取出風(fēng)口各時間點的溫度，并且分別對儀表板4個出風(fēng)口進行設(shè)置，4個出風(fēng)口的布置如下圖9所示：以主駕中間出風(fēng)口為例，風(fēng)道進口流量設(shè)置為 25 L/s，5 min、10 min、15 min和20 min的進口溫度分別設(shè)置為 10.26 ℃、7.64 ℃、6.77 ℃和6.94 ℃。

圖8 出風(fēng)口溫度值提取轉(zhuǎn)化

圖9 儀表板出風(fēng)口的布置

根據(jù)設(shè)定好的邊界條件進行穩(wěn)定迭代計算，分別得到5 min、10 min、15 min和20 min相應(yīng)的流場，確定氣流的狀態(tài)并得到相應(yīng)時間下的對流換熱系數(shù)。

將第一輪對流換熱系數(shù)和相應(yīng)的流體溫度導(dǎo)入到Taitherm進行最大制冷瞬態(tài)模擬，如熄火曬車工程一樣，通過Fluent和Taitherm軟件的相互多輪耦合計算，得到最大制冷的瞬態(tài)虛擬結(jié)果，如圖10所示為60 min時艙內(nèi)及乘客的計算結(jié)果。

2.4 空調(diào)最大制冷的舒適性計算

將瞬態(tài)最大制冷的溫度場模擬結(jié)果進行舒適性評估，同時需確認(rèn)乘客的穿衣指數(shù)和新陳代謝的狀態(tài)。由于模擬高溫環(huán)境下的最大制冷，設(shè)定此乘客穿短袖短褲作為穿衣指數(shù)，最后計算出最大制冷熱舒適性，結(jié)果如圖11所示。

通過結(jié)果給出熱舒適性評估，駕駛員在20 min時，頭部可達到自然涼爽的狀態(tài)，比較舒適，并可以通過瞬態(tài)模擬看出各時段乘客艙的舒性狀態(tài)，從而給出最大制冷過程中的舒適性的評估，前期指導(dǎo)了設(shè)計開發(fā)。

通過上述對最大空調(diào)性能舒適性的分析，得出空調(diào)最大制冷的舒適性分析流程，具體如圖12所示。

圖10 Taitherm最大制冷60 min艙內(nèi)的計算結(jié)果

3 結(jié)論

1）熄火曬車和最大制冷過程的溫度場虛擬仿真，通過Fluent和Taitherm軟件進行耦合計算，試驗與模擬值吻合較好。

2）通過對空調(diào)最大制冷性能舒適性的模擬可以從客觀角度給出舒適性評價，在前期開發(fā)階段給予指導(dǎo)并且減少后期夏季路試的工作量，節(jié)省開發(fā)成本和時間。

3）通過空調(diào)最大制冷的虛擬仿真，對舒適性模擬形成流程規(guī)范。

圖11 最大制冷的舒適性結(jié)果

圖12 最大制冷的舒適性分析流程