曹文霞，張雷 ,范習(xí)民

（1.231603 安徽省 合肥市 安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ；2.230601 安徽省 合肥市 安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

我國南方地區(qū)夏季非常炎熱，由于乘員艙內(nèi)空間狹小且相對封閉，使得車內(nèi)溫度快速升高，溫度場不均勻性增大。如果空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計不好，出風(fēng)溫度和風(fēng)量較小，或者車內(nèi)的流場組織分布不合理，則不能給乘客有效降溫。駕駛員長期處于這種環(huán)境下容易疲勞、精神煩躁、注意力不集中，加大發(fā)生交通事故的概率。

隨著計算機(jī)和數(shù)值技術(shù)的快速發(fā)展，研究人員開始利用CFD對轎車乘員艙的熱舒適性進(jìn)行研究，江濤[1]等人研究了不同太陽高度角對乘員艙熱舒適性的影響；谷正氣[2]等人通過改進(jìn)空調(diào)風(fēng)道中所加導(dǎo)流片的3 個結(jié)構(gòu)參數(shù)，提升了空調(diào)出風(fēng)總量和出風(fēng)比例；唐江明[3]等人對汽車空調(diào)送風(fēng)格柵進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)乘員熱舒適性；王峰[4]等人考慮了太陽輻射、空調(diào)出風(fēng)口位置和角度對溫度場的影響。已有的研究大多憑經(jīng)驗對空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，沒有考慮風(fēng)道送風(fēng)溫度和送風(fēng)量的影響，部分使用的車圍結(jié)構(gòu)的邊界條件參數(shù)，如太陽輻射吸收率、透射率和反射率等的設(shè)置是同一的，厚度也欠考慮。

本文利用一維參數(shù)組合模型調(diào)整法OPCMA 快速建立準(zhǔn)確的乘員艙參數(shù)組合模型，將其應(yīng)用到三維仿真軟件Star CCM+的邊界條件中，分析不同的送風(fēng)溫度和送風(fēng)量對乘客熱舒適性的影響，為汽車空調(diào)設(shè)計提供參考。

1 乘員艙模型

使用三維建模軟件CATIA對乘員艙進(jìn)行建模，部件包括車體、座椅、內(nèi)飾部件、風(fēng)道和假人等。將模型導(dǎo)入到Star-CCM+中，經(jīng)修復(fù)、簡化和防接觸處理后，使用包面功能提取乘員艙的內(nèi)表面，如圖1 所示。

圖1 包面后的乘員艙三維模型Fig.1 3D model of occupant compartment after covering

將車頂隱藏后，可以看到乘員艙內(nèi)部的結(jié)構(gòu)：前排安排2 名乘客分別為駕駛員和副駕駛員，儀表盤左、左中、右中、右有4 個出風(fēng)口，副駕駛的腳部開有排氣口，如圖2 所示。

圖2 模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of internal structure of the model

2 CFD 仿真

2.1 基本控制方程

（1）連續(xù)方程

（2）動量方程

（3）能量方程

式中：ui，uj——平均速度的分量；xi，xj——坐標(biāo)分量；p ——流體微元的壓力；μeff——湍流有效粘性系數(shù)；ρ——空氣密度；Cp——比熱容；k ——傳熱系數(shù)；ST——流體內(nèi)熱源由于粘性作用使得機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分[4]。

2.2 網(wǎng)格劃分

整個計算模型采用Star-CCM+中的多面體網(wǎng)格模型，為了計算的準(zhǔn)確性，在風(fēng)道格柵和假人各部位等多處進(jìn)行了加密，并設(shè)置2 層邊界層，最后得到的體網(wǎng)格數(shù)量為4 471 423。劃分網(wǎng)格的模型如圖3 所示。

圖3 求解域體網(wǎng)格示意圖Fig.3 Schematic diagram of solving domain volume mesh

2.3 參數(shù)組合模型的建立

由于乘員艙模型部件眾多，如儀表板、內(nèi)飾板、膠條等，為使三維仿真輸入更加準(zhǔn)確，將具體設(shè)置每個部件的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度、吸收率、透過率和反射率。

在調(diào)整過程中需要利用一維仿真軟件KULI 中的乘員艙模型對熱負(fù)荷實驗進(jìn)行對比快速驗證，最后調(diào)整的結(jié)果如表1 所示。

國有企業(yè)要以自身的實際情況為基礎(chǔ)，以此來健全財務(wù)管理體系，然后進(jìn)行逐步完善，以此來實現(xiàn)財務(wù)預(yù)算管理的效果，進(jìn)一步健全財務(wù)管理考核機(jī)制，以此來確保財務(wù)預(yù)算管理的效果。當(dāng)前大多數(shù)國有企業(yè)的考核機(jī)制過于簡單，在考核指標(biāo)與考核方法方面，不能夠精確的對員工的工作業(yè)績進(jìn)行考評，從而不利于員工對于工作的積極性。鑒于此，要注重對考評機(jī)制在建立過程中的合理性與科學(xué)性，以員工的工作業(yè)績?yōu)閰⒖紝ω攧?wù)預(yù)算管理的成果進(jìn)行評價，并制定出完善的獎懲機(jī)制，從而激發(fā)財務(wù)預(yù)算管理人員的主觀能動性，從而確保國有企業(yè)財務(wù)預(yù)算管理工作的實施效果。

表1 參數(shù)組合模型Tab.1 Parameter combination model

由于空氣從風(fēng)道進(jìn)口經(jīng)過風(fēng)道再到出風(fēng)口的過程中會有2～3 ℃的熱量損失，需要在風(fēng)道中設(shè)置相應(yīng)的熱導(dǎo)率和厚度。

2.4 邊界條件設(shè)定

空間離散方式采用2 階迎風(fēng)差分格式。流場計算方式使用SIMPLE 算法。乘員艙中的流場使用K-Epsilon 湍流模型。計算域的入口是從風(fēng)道底部進(jìn)入，經(jīng)過風(fēng)道分流后從4 個出風(fēng)口出來。風(fēng)道入口分成三等分，左右隔腔負(fù)責(zé)連通左右兩側(cè)的出風(fēng)口，中間的隔腔同時連通左中和右中2 個出風(fēng)口，入口需要采用壓力進(jìn)口。如圖4 所示。

圖4 風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Air duct structure diagram

3 數(shù)值計算仿真與實驗驗證

3.1 實驗條件與工況表

為了檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，以真車在環(huán)模艙中的整車降溫實驗結(jié)果為對比依據(jù)進(jìn)行驗證。環(huán)模艙內(nèi)環(huán)境溫度為43 ℃，相對濕度40%，日照量為恒定值1 000 W/m2[5]，車內(nèi)有駕駛員和副駕駛員。為研究不同出風(fēng)溫度和風(fēng)量對乘員舒適性的影響，工況設(shè)置如表2 所示。

表2 仿真工況表Tab.2 Simulation conditions

3.2 出風(fēng)口溫度和風(fēng)量驗證

整車降溫實驗中的實測風(fēng)量為340 m3/h，而仿真的總風(fēng)量在350 m3/h 左右，誤差小于3.6%，各出風(fēng)口的風(fēng)量誤差基本在4%左右，最大不超過10%，如表3 所示。

表3 邊界條件表Tab.3 Boundary conditions

4 個出風(fēng)口在4 個不同工況，溫度比入口處高2～3 ℃，誤差在1 ℃以內(nèi)，如圖5 所示。

圖5 出風(fēng)口空氣溫度實驗與仿真對比圖Fig.5 Comparison of air temperature experiment and simulation at air outlet

3.3 呼吸點溫度驗證

實驗中在前后排乘客呼吸點附近布置溫度傳感器，用于記錄和指示乘員艙內(nèi)溫度的變化情況。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比如表4 所示，可以發(fā)現(xiàn)，前后排呼吸點處仿真值與實驗值的誤差基本在1.5℃以內(nèi)，最大不超過2.3 ℃。

表4 呼吸點溫度表Tab.4 Breathing points thermometer

4 熱舒適性評價分析

4.1 乘員艙氣流組織情況和溫度場分析

隨著風(fēng)量的增加，乘員艙內(nèi)的溫度會有不同程度的下降，然而在實驗中發(fā)現(xiàn)前排呼吸點的平均溫度比后排呼吸點的平均溫度要高，有局部區(qū)域溫度過高的情況。通過仿真發(fā)現(xiàn)實際情況跟實驗一樣，溫度場和前后排呼吸點溫度分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 駕駛員對稱截面溫度場Fig.6 Temperature field of symmetrical section of driver

圖7 前后排呼吸點溫度實驗值Fig.7 Experimental value of temperature of breathing points in front and back row

4.2 PMV-PPD 評價

4.2.1 PMV-PPD 評價介紹

1967 年，F(xiàn)ANGER[6]針對熱舒適性提出了預(yù)期平均熱感覺（Predicted Mean Vote，PMV）的概念，用于預(yù)測一定變量組合環(huán)境下人體的熱舒適度，涉及室溫、相對濕度、平均風(fēng)速、著衣量和人體作業(yè)量6 個變量。

PPD（Percentage of persons dissatisfied）是指對在一特定環(huán)境感到不適人員的比例。ISO 標(biāo)準(zhǔn)中，PPD 小于 10%的狀態(tài)為推薦熱舒適狀態(tài)[7]。其定義式為：

4.2.2 PMV-PPD 評價

在Star-CCM+中編寫函數(shù)，計算乘員的PMV和PPD 值[8]。在9.5 ℃的進(jìn)風(fēng)溫度下，送風(fēng)風(fēng)量從350 m3/h 增加到400 m3/h 和420 m3/h，可知成員的PMV值越接近0，PPD 值降低，說明在一定范圍內(nèi)提高風(fēng)量有利于提高成員的熱舒適性[9]，如表5 所示。

表5 不同風(fēng)量下的PMV-PPD 值Tab.5 PMV-PPD values under different air volumes

結(jié)合國內(nèi)外舒適性相關(guān)研究和我國國民溫度感覺習(xí)慣，夏季將車內(nèi)平均氣流控制在0.5 m/s 左右人體感覺最好[10-11]。過高的風(fēng)量會增加乘員的吹面風(fēng)速，引起乘員的不舒適感。

截取不同風(fēng)量下駕駛員對稱截面的速度場進(jìn)行分析，如圖8 所示。

圖8 駕駛員對稱截面速度場Fig.8 Velocity field of driver's symmetrical section

350，400，420 m3/h 風(fēng)量下，乘員吹面風(fēng)速為0.55，0.65，0.7 m/s，且受進(jìn)口風(fēng)溫的影響較小。

5 結(jié)論

本文通過考慮太陽輻射情況下基于速度場、溫度場、PMV-PPD 值和空氣齡等形象的數(shù)據(jù)，對夏季空調(diào)降溫過程中乘員艙舒適性進(jìn)行可視化的分析，并做出科學(xué)的預(yù)測和評價。

運(yùn)用一維參數(shù)組合模型調(diào)整法獲取應(yīng)用于三維數(shù)值模擬計算的相關(guān)邊界條件的參數(shù)，經(jīng)過實驗的對比，溫度誤差基本在1.5 ℃以內(nèi)，風(fēng)量及其分配誤差基本在4%以內(nèi)，證明該方法適用于三維數(shù)值模擬前期計算的參數(shù)的快速獲取。

在一定范圍內(nèi)提高風(fēng)道的出風(fēng)溫度和風(fēng)量可以提高乘員的熱舒適性。但提高風(fēng)量時需要注意風(fēng)道的設(shè)計，避免吹面風(fēng)速過高引起乘員的不舒適感。

乘員附近空氣齡與風(fēng)量基本成正比關(guān)系，說明進(jìn)風(fēng)量增大有利于減少空氣駐留的時間，提升空氣的新鮮度和品質(zhì)。