（制冷及低温工程专业论文）空调轿车室内气流分布特性及空气品质研究.pdf

摘要 摘要 汽车已经不再是人们生活中的奢侈品，大部分人都依赖汽车作为代步工具， 人们对汽车室内热环境舒适性也更加重视起来，车内热环境舒适性通过车室内 的气流组织和空气品质的形式表现出来，具体到车室内空气的速度场、温度场 如何分布，车室内c 0 2 、甲苯等污染物浓度如何。本趺以空调轿车室内的空气 为研究对象，利用数值模拟的方法简单直观的表达车室内的空气流动状态，首 先明确数值模拟理论，对照实体轿车作一定简化后用c h t i a 软件建立物理模型， 并导入g a m b i t 软件，采用分块网格法划分网格，在f 1 如n t 软件平台上，依据一 般送风射流理论校对数值模拟的可靠性，对各种不同环境参数和送风参数下的 车室内温度场和速度场进行定性定量模拟分析，揭示不同参数下车室内流场的 变化规律。结果分析表明人体散热影响不容忽视，太阳辐射对车室内热环境影 响较大，固壁辐射在自然对流区域有一定影响力，送风速度和送风温度的大小 变化都影响着室内的温控效果，送风角度的变化对车室内气流流谱型式改变最 大，轿车回风口的布置能够明显的影响组织气流的分布特性。 对影响轿车室内的空气品质的各项因素，气流速度、空气温度、湿度、各 种无机物以及有机物污染物等进行轿车室内空气品质体系的综合评价，采用一 般用于产品质量评价的可拓评价法，计算得出的车室内空气品质关联度结果很 好的表达了所测轿车室内的空气品质等级。 关键词：轿车室内流场；数值模拟；固壁辐射；轿车室内空气品质；可拓评价 a b s t r a c t a b s t r a c t c a ri sn ol o n g e ral u x u r yt op e o p l e ，a n dm o s tp e o p l ep r e f e rt oc h o o s ec a ro u t d o o r a n dc a r em o r ef o rt h ec o m f o r to ft h ee n v i r o n m e n ti nt h ec a rc a b i n ；t h ec o m f o r ti nc a r c a b i nw a ss h o w i n gt h r o u g hc o m p a r t m e n ta i r f l o wa n da i rq u a l i t ys u c ha sv e l o c i t yf i e l d ， t e m p e r a t u r ef i e l da n dp o l l u t a n td i s t r i b u t i o n l i k ec 0 2a n dt o l u e n e t h i sd i s s e r t a t i o n t a k e st h ec h a m b e re n v i r o n m e n ta st h em a i no b j e c to fr e s e a r c h ，s h o w i n gs i m p l ya n d d i s t i n c t l yt h ea i r f l o wc o n d i t i o nb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a tf i r s t ，t h ep a p e rg a v et h e c l e a rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h e o r y , t h e nat h r e ed i m e n s i o n a ls i m p l i f i e dp h y s i c a lm o d e l w a ss e tu pb yc a t i aa n di m p o r t e di ng a m b i tt om e s hb yb l o c k 黝c o m m e r c i a l s o f t w a r ef l u e n ta st h eo p e r a t i o n a lp l a t f o r m ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a s p r o v e dt ob et r i e da c c o r d i n gt ot h eg e n e r a ls u p p l ya i rj e tt h e o r ya n dt h et e m p e r a t u r e f i l e da n dv e l o c i t yf i l e di nv e h i c l ei nd i f f e r e n te n v i r o n m e n ta n ds u p p l yp a r a m e t e r s w e r ec o m p a r e da n da n a l y z e dq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i f i e a t i o n a l l y , w h i c hr e v e a l e dt h e r e g u l a t i o no fa i r f l o wi nc a rc a b i n t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t i n gt h a tt h es o l a rr a d i a t i o n c a ni n f l u e n c et h et h e r m a le n v i r o n m e n ti nv e h i c l eg r e a t l y , c o m p o n e n tr a d i a t i o na l s o h a dac e r t a i ni m p a c to ni t ，t h ec h a n g eo fs u p p l yo fl e t sa i rt e m p e r a t u r ea n da i rv e l o c i t y a f f e c t e dt h ei n d o o ra i re n v i r o n m e n t ，d i s t r i b u t i o na n g l ec a l lc h a n g et h ea i r f l o wt y p e m o s t l ya n dh o w r e t u r na i ri n l e tp o s i t i o nc a r ls i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h ea i rd i s t r i b u t i o n f o rt h ev 撕o u sf a c t o r so ni n d o o ra i rq u a l i t yi nv e h i c l e ，s u c ha sa i r f l o wv e l o c i t y 、 a i rt e m p e r a t u r e 、h u m i d i t y 、k i n d so fm i n e r a l sa n do r g a n i cp o l l u t a n t s ，t h ee x t e n s i o n a l e v a l u a t i o nw i d e l yu s e di np r o d u c tq u a l i t ye v a l u a t i o nw a sa p p l i e dt oa p p r a i s et h e i n d o o ra i rq u a l i t yi nv e h i c l ea n dt h er e s u l tw e l ls h o w e dt h ea i rq u a l i t yl e v e l k e yw o r d s ：a i r f l o wf i e l di nc a rc a b i n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o m p o n e n tr a d i a t i o n ； i n d o o ra i rq u a l i t yo fa u t o m o b i l e ；e x t e n s i o n a le v a l u a t i o n i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 当今社会环境下，汽车已经成为不可或缺的交通韭具，根据我国工业和信 息化部发布的消息，2 0 1 1 年中国汽车产销量双超1 8 4 0 茼辆，刷新全球历史记录， 汽车广泛的普遍性和高度的灵活性使之成为最重要的交通工具，在全社会的交 通运输量中，美国、德国、法国、英国等国家的汽车咎运总量达到百分之九十 左右。大多数人每天都要在汽车里面待一段较长时间；l 特别是堵车时段，狭窄 封闭的汽车室内空间应该如何满足人体舒适性的要求? l 由于汽车空间狭窄、门 窗面积比大，乘员车内所占空间比大且出入频繁，同时常年行驶在户外，经受 日晒雨淋和泥沙侵蚀的恶劣环境，车室内热环境比较复杂，汽车空调是采用人 为方式对车内空气流量、温度、湿度和清洁度进行调带，如果安装不合理，温 度场、速度场分布不均匀，局部区域温度过高或者过低，速度过快或者没有流 速，都将达不到舒适的热环境，以往常采用试验的方法进行汽车空调性能测定， 随着计算机技术的发展和湍流理论的不断演变，汽车内流场的模拟计算也得到 飞跃发展，各国汽车厂家都将c f d 技术广泛运用到汽车内流场的测试试验中， 对于新开发汽车，在开发设计阶段就对汽车模型进行温度场、速度场的模拟计 算，分析汽车室内的气流组织情况，甚至进行虚拟产晶开发，为后期风口布置、 风口型式选用等汽车空调系统设计提供参考，对于已使用汽车，使用c f d 技术 模拟各种工况下的汽车内热环境，为汽车乘员指导汽# 保养和使用知识。 据美国非营利组织生态中心发布的“2 0 1 2 年消费着导购”报告称，人们在汽 车室内所接触的化学物质比在家或者办公室等其他壁内环境下接触的要多得 多，尤其是新车，车内空气中的有害化学物含量是家其和办公室的5 到1 0 倍， 车内座椅、地毯，内饰件等都会发出对人有害的化学物质，主要为甲醛、甲苯、 二甲苯、挥发性有机物等，通过排气管、曲轴箱、燃油蒸发等途径产生的汽车 尾气包含一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等物质部分进入车内环境，以及车外 环境污染、汽车空调等产生的霉菌、可吸入性颗粒物簿污染物都会对车室内人 员造成影响，轻者易烦躁、头晕、口干、胸闷、精神不佳等，重者可能罹患癌 症，发生车祸，死亡。解决轿车室内空气品质的问题迫在眉睫，2 0 1 2 年3 月1 1 第1 章绪论 日乘用车内空气质量评价标准正式实施，标示汽车内环境的空气品质研究 更上一个层次。目前对轿车室内空气品质的评价一般采用主观方式、客观方式 或者主客观结合的方式。主观方式利用人体自身的感觉器官来感受评价车内空 气质量，客观方式是以可量化的综合指数来评价车内空气质量，通过选择具有 代表性的污染物作为评价指标因子，参照国家给定的质量标准进行评判，这种 方法用定量的形式把定性的事件表达出来，直观有效。 研究汽车室内气流的分布特性和空气品质，对于汽车内部结构的设计和汽 车空调的选择以及送、回风口的设计都是非常重要的。合理的结构布置可以使 车身更紧凑，空调效果更有效，不仅达到节能减排的环保要求也能给人舒适的 热环境，同时也提高汽车的市场竞争力。 目前研究汽车室内流场的主要方法分为实验研究、理论分析和数值计算。 实验研究是以相似原理为指导，建立与所研究的传热问题相似的试验台，从而 得出所需的足够实验数据，进而整理成特征数的实验关联式，既直观，可信度 也高，但是费用高、耗时长、实验方法、实验设备等客观存在的限制因素，特 别是有的问题根本无法通过实验解决，经常使人感到无能为力；理论分析主要 是利用数学方法计算出理论结果，对所研究问题进行一定的简化和近似假设， 得出事物的基本规律，给出近似模型和工程经验公式，只能局限于简单的事物 分析；基于c f d 技术的数值模拟计算方法比较而言省时省力、应用范围广、机 动性强，对实验结果的整理和规律总结能进行很好的指导作用，但也不能抽离 其他两种方法而单独存在。 1 2 国内外汽车室内流场研究现状 世界上第一辆以内燃机为动力的汽车由戴姆勒和卡尔奔驰于1 8 8 6 年制造， 当时并没有考虑汽车流场的问题，最早考虑汽车流场的是比利时的卡米勒詹那 兹于1 8 9 9 年制造的炮弹形汽车，这之后人们开始关注汽车流场的问题。汽车内 流场数值模拟研究始于上个世纪的7 0 年代的欧美国家，d a v i s l l j 等人率先利用集 总容量法简单的分析了车室内的热环境；m l 也1 2 j 提出了一种模拟预测密闭空调车 室内热舒适性的数值方法，研究降低送风量和对车窗玻璃着色以及改变车窗玻 璃倾角对车室热环境的影响，合理的设置车室空调参数可以降低5 0 左右的能 耗；1 9 8 9 年h a r tl 3 j 在简化车身传热、太阳辐射热的基础上模拟了三维轿车乘员 2 第1 章绪论 舱的动态降温过程，并对通用软件v i n e 3 d 进行提高研究；k o m o r i y a t 4 j 对五分 之一的实车的缩小模型进行二维数值模拟，探讨了车整内入口速度和回风口位 置对车室气流组织的影响，利用烟气可视方法及照相技术进行轿车室内流场实 际测量并验证了数值计算的正确性：d e l f t 大学的k o o i l j 对车室流场进行c f d 数 值模拟，研究了送风口位置对车室内速度场、温度场驶区域污染物的影响，得 到了最佳的舒适度及送风方案；l i n t 6 j 在v i n e 3 d 的软件基础上，对简化的g m - 1 1 0 乘员舱进行温度场和速度场的数值研究，与实验结果进行对比分析，研究车舱 降温过程，并研究了车室内风口位置和大小等参数对人体舒适性的影响；w a n 7 j 等人利用流体软件p h o e n i c s 对车室内流场和污染物浓度进行数值模拟计算， 对几个不同送回风口位置的速度、温度和污染物浓度进行比较，讨论车室内最 舒适的状态参数：h a r a t 8 j 等人在轿车车室仪表板上设置四个送风口，将回风口设 置在后排座椅后背处以及前排座椅后的地板通道处，对轿车车室划分网格，进 行c f d 分析可知第二种回风口布置方式下后部空气的快速制冷能使后部乘员舒 适性得到改善，并在尼桑车上得到验证；i s h i h a r a t 9 j 桂1 9 9 1 年利用p t v 技术， 在脉冲激光片光源的照射下利用摄像仪拍摄了取自原模型四分之一大小的三维 物理模型的速度场，然后与数值计算结果进行对比。在 1 9 9 2 年又采用p s v 技术 测量了原尺寸车模和四分之一车模的等温场，还对加爪两个假人体模型后的车 室内流场进行了研究；l i n t l l j 以g m 1 0 空调车室作为研究对象，采用v i n e 3 d 软件模拟了九种不同工况，考虑了送风量、风口位置 j 车窗玻璃的光学特性等 参数对车室流场的影响，利用f a n g e r 方法进行车室内热舒适性评价，结果表明 玻璃特性对太阳辐射影响较大，出风口位置和空调通风系统流量对室内热舒适 性影响较大：h a g i n o 【1 2 】分析了空调车室内温度、气流速度和太阳辐射对人体热 舒适的影响，并依据数值分析结果建立了预测车室内 热环境的人体舒适的感觉 方法；1 9 9 3 年，h e i n s 0 1 1 1 1 【1 3 j 采用分区域方法，对车室内污染物浓度以及随新风 进入车内的c o 浓度进行研究；l e e1 1 4 j 【1 5 j 等人主要利用c f d 技术对汽车挡风玻 璃的融霜过程进行模拟分析，并对整个车室进行三维数值模拟计算以分析整个 车室内温度场分布对融霜过程的影响；1 9 9 5 年k o m 晰y a t l 6 j 将c f d 技术应用到 车室乘员的热效应研究中，采用人体表面温度来评估热舒适性，进行试验对比 分析；c u r r l et 1 7 1 利用s t a r c d 对三维轿车室内流场浏行模拟计算，考虑人体生 物热物理模型、自然对流、热传导及热辐射的影响，! 盼析了车室内不同几何形 状的乘员的热舒适性；b r o w n 【1 8 1 对车室内采用f o r dn 体热舒适模型进行车室瞬 3 第1 章绪论 态流场研究，考虑气流速度、室内温度、空气相对湿度以及人体着装等条件， 其计算结果精度高于f a n g e r 和g a g g e 模型；h u m p h r e y s 1 9 j 探讨了热舒适性的自 适应方法，提出了适合热舒适性的自适应模型；f u j i t a 2 0 j 开发了一项耦合太阳辐 射热、固壁辐射和热传导的轿车车室热环境预测的数值模拟计算方法，以简化 的轿车车室作为研究模型，进行数值和实验分析；h u a n g 2 1 j 对汽车室内降温动态 过程进行三维数值模拟分析，考虑汽车车窗玻璃的光学特性以及车室围护结构 材料特性，并考虑车室复杂几何结构表面的热对流、热传导和热辐射的耦合作 用，结合人体热舒适模型对车室内热舒适性进行分析；s h o c a e e1 2 2 j 等人对简化的 汽车驾驶舱进行c f d 数值模拟计算，分析其温度场和速度场的分布情况，重点 研究送风口和回风口位置和形状优化对室内流场的影响；d a v i d l 2 3 j 等人对空气流 动进行人为管理以提高室外空气温度场使其降低车室内的温室效应，通过发动 机空转时，激活以辅助太阳能电力装置提供动力的温室效用控制系统来消除室 内热空气，达到节能环保的作用；m e a r h a b1 2 4 j 根据气候条件和车辆材料特性基于 节点法和有限差分法建立了考虑对流、热传导和辐射传热，同时考虑长短波辐 射和太阳直射和散射的研究车室内热舒适性的数值模型，对车室太阳辐射影响 因子、玻璃类型、汽车颜色以及材料的辐射参数都进行了试验研究。 国内汽车室内热环境的研究起步较晚，1 9 9 4 年东风汽车有限公司的郑郧1 2 5 j 利用丹麦b & k 1 2 1 2 热舒适度仪对汽车室内各项等效温度进行测量，再采用面积 平均加权估算p m v 和p p d 的方式评价车内流场的热环境，计算结果与实测结 果相吻；19 9 6 年上海交大的孙学军1 2 6 j 等人主要研究了二维空调轿车室内的稳态 流场状况，分别研究了定雷诺数下各种送风角度对空气流场的影响，结果表明 送风倾角增大，室内前部气流流动变化较大，后部速度场影响小，但温度得到 改善，同时风口位置对车室内流场影响较大；1 9 9 7 、1 9 9 8 、2 0 0 0 年童灵【2 7 j 【2 8 j1 2 9 j 等人主要对空调轿车室内的太阳能的再分配进行研究，论证蒙特卡洛方法可以 较好的应用于车室入射太阳辐射的再分配计算，利用光电倍增管和色度仪进行 车窗玻璃等材料的光学性能的实验测定，编写了应用于实际计算的太阳辐射再 分配的通用软件；1 9 9 9 年陈江平【3 0 j 等人探讨了考虑人体散热的空调轿车的热环 境，主要探讨研究了不同人体热边界条件对轿车室内温度场的影响，结果表明 第二类即定热流边界条件更合理，2 0 0 2 年陈江平p 1 j 对国内外的汽车空调系统空 调技术进行了总结，给研究学者提供理论参考；2 0 0 1 年仲华1 3 2 j 和俞军柯俐等人 则分别对空调轿车应用状态反馈加权模糊控制器进行控制和利用室温反应系数 4 第1 章绪论 法进行空调轿车的动态负荷计算，计算结果良好；2 0 0 4 年宋思洪1 3 4 j 等指出空调 车室内是具有复杂热边界条件，考虑气固耦合的传热典型环境，并对整体求解 法进行阐述，比较s i m p l e 和s i m p l e r 两种算法，利用a n s y s f l o t 凡气n 软 件对空调车室进行了二维流场数值模拟；2 0 0 5 年靳艳梅1 3 5 j 等对空调车室考虑人 体热调节系统，借助人体生物热方程模拟计算乘员体表的温度分布情况，利用 当量温度进行车室人体舒适性评价，实例计算表明结剩满意；2 0 0 6 年张国俊1 3 6 j 等人主要对轿车车室流场的人体热边界和太阳辐射热边界进行了数值模拟比 较，不能忽视人体的几何影响和太阳辐射负荷：郭莉钰【3 7 j 主要研究分析了暴晒 汽车室内自然通风状态下的热环境，并提出强制通风预冷的创新性意见且进行 了数值分析；2 0 0 7 年陈吴【3 8 j 等在汽车座椅热舒适性的论述基础上首次探讨了汽 车座椅的局部散热除湿，针对座椅结构方面的改造进行舒适性研究论证；吴金 洪【3 9 j 等研究了空调轿车室内空气湿度对车室热舒适性的影响，陈小东以长安 轿车进行c f d 数值模拟研究；孟庆超h 1 j 分析研究了空调轿车室内的热环境并且 提出汽车室内空气品质评价体系，利用灰色理论进行品质评价，并利用便携式 多参数气体分析仪对不同汽车进行室内污染物的实验测试分析：2 0 0 8 年丁能根 1 4 2 j 等人采用f l u e n t 软件检验空调系统设计的合理性并对轿车车室瞬态流场进 行数值模拟论证；彭荣强1 4 3 j 则利用离散坐标辐射模型对空调轿车的太阳辐射进 行了探讨，依据实验数据给定轿车车身材料、给定光学参数，针对车室高温问 题对车辆内外流场进行c f d 计算；熊可嘉h1 4 6 jh 等人在2 0 0 8 年到2 0 1 1 年 主要围绕轿车热环境的各种影响因子进行了大量的数值研究，涉及风口面积、 太阳辐射、固壁辐射等因素的影响，采用集总参数法考虑人体的热调节作用； 卢祖秉【48 | 、王晓明1 4 9 j 等人在2 0 0 9 年研究了进出风口l 布置方式对轿车内流场的 影响；柳春婷1 5 0 j 等概述和总结了空调汽车热环境的现状和发展趋势；李宁，王 锡琴【5 1 j 主要对汽车空调特点和热舒适性特性进行总结概述；2 0 1 0 年车艳秋【5 2 j 在 前人研究的基础上主要探讨了轿车室内座椅空隙和车门缝隙对内流场的影响； 倪冬香1 5 3 j 在s c t e t r a 平台上分析计算轿车室内热环蜊与人体生物热模型的迭代 作用，以人作为主体对象，更加符合轿车人机工程学j 王永珍【5 4 j 对车室内自然 环境的通风预冷降温特性进行了研究；2 0 1 1 年江涛恻、张文灿【5 6 j 【5 7 j 等人对太 阳辐射下轿车室内热环境进行c f d 计算，张文灿提出卜种新的基于热平衡方程 的传热计算方法，利用自编程序简洁有效地表示了太阳辐射热一天内的变化曲 线，以及轿车室内各不同位置的变化曲线，重点比较可车窗玻璃的光学特性影 5 第1 章绪论 响以及车身几何体表面吸收率的影响。在车室内汽车空气品质研究方面，主要 是参考建筑物室内的空气品质标准和评价方法进行研究，刘欧子【5 8 】、卢曦 5 9 】等 人对室内热环境和空气品质进行总结论述，给出室内热环境研究的主要因子和 变化趋势，为他人研究提供理论基础和研究方向，戴萍、朱赤晖1 6 1 j 等人则利 用模糊数学和灰色关联法进行了室内空气品质的评价实例研究，同时束永保【6 2 j 总结分析了室内空气品质的现阶段状况，戴萍1 6 3 j 对室内空气评价方法进行概述， 指出其将来的主要发展方向；王囝1 6 4 i 、万征1 6 5 j 等人则针对空调车室提出专项性 的建议。 1 3c f d 应用软件 c f d 软件陋6 8 j 是专门用来进行流场分析、流场计算和流场预测的软件，可 以分析和显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内能够预测性能并且通过 改变各种参数达到最佳设计效果。c f d 软件主要分为前端处理、计算分析和后 处理软件三个部分。目前实际工程应用中使用比较广泛的c f d 前端处理软件主 要包括g a m b i t ，t g r i d ，g r i d g e n ，i c e m c f d ，m i x s i m ；用于分析计算的软件包括 f i d a p ，p o l y f l o w ，f l u e n t ，i c e p a k ，c f x ，p h o e n i c s ，s t a r - c d 以及后处理软件e n s i g h t ， a v s ，t e c p l o t 等。本课题选用g a m b i t 作为前处理软件，f l u e n t 作为计算分析软 件，t e c p l o t 进行后处理。图1 1 表示c f d 计算的主要流程。 划分ii 建 计算| l 立 孵格斟离 生成k l 散 莩羹i a 袭 程 图1 1c f d 计算流程 g a m b i t 作为前处理器来说，其网格处理功能较强，能够建立简单的三维模 型，外接能力好，可以导入大部分c a d c a e 软件的几何模型和网格，并能够对 其进行自动公差修补，具有先进的六面体核心技术和自主控制网格生成规律的 尺寸函数( s i z ef u n c t i o n ) 等优点。f l u e n t 主要用于与流体、热传递及化学反应等 相关的工业中处理流体流动、传热传质等问题，采用多种基于有限体积法的求 解方法有针对性地处理各种可压缩、不可压缩的不同流动过程，使其计算速度、 精度和稳定性增强，由于f l u e n t 强大的网格支持能力以及自身具有的网格和动态 6 爝爿硝嗣 第1 章绪论 网格自适应技术，它可以处理较多诸如非结构网格、变形网格等物理模型，同 时f l u e n t 为用户提供7 - - 次开发接1 2 1 ，高效省时。t e c 批o t 作为可视化后处理软 件，通过简单友好的界面帮助用户分析数据和图片，矧提供丰富的2 d 、3 d 如 b m p 等常用格式的图片，t e c p l o t 可直接与p h o e n i c $ 、f l u e n t 、s t a r - c d 等c f d 软件对接，导出多种格式文件。 1 4 课题研究的主要内容 经过对汽车室内流场的历史背景、发展状况以及c 时d 技术应用的考研调查， 本研究课题着眼于轿车室内环境的c f d 数值模拟研究以及轿车室内空气的品质 评价，利用t e c p l o t 软件对轿车室内典型截面的速度场j 温度场进行定性定量的 对比分析，利用可拓评价法对轿车室内空气质量进行综合评价。本课题研究的 主要内容： ( 1 ) 介绍湍流流动的c f d 数值理论和轿车室内流场传热传质的基本特征， 确立课题研究的理论基础。 ( 2 ) 建立研究对象某三厢式轿车的简化后的物理模型，加入人体几何边界， 对轿车模型进行分块网格划分。 ( 3 ) 以f l u e n t 软件为数值模拟平台，设置控制方程、边界条件等参数，对 三维轿车室内模型进行数值分析，利用典型截面的速度值和温度值比照一般送 风射流理论下计算得出的数据进行数值模拟的可靠性能的对比，分析考虑人体 散热，加入人体几何边界条件，太阳辐射、固壁辐射等环境因素对车室内流场 的影响，设定不同送风参数，分析送风速度、送风温度、送风角度对轿车室内 流场的影响，通过改变回风口位置以研究其对轿车内流场气流组织的影响，为 轿车的优化设计提供参考依据。 ( 4 ) 针对轿车室内的空气品质的评价，采取用予产品质量评定的可拓评价 法，依据轿车室内空气温度、湿度、流速以及各种污染物的国家标准和经验值， 建立三个舒适等级，利用可拓法的物元模型和关联函数求解轿车室内空气品质 指标因子与舒适等级的关联度，评定所测轿车室内的空气品质等级。 7 第2 章空调轿车室内空气湍流流动数值方法与传热特征研究 第2 章空调轿车室内空气湍流流动数值方法与 传热特征研究 2 1 湍流流动模拟 2 1 1 湍流现象 湍流【6 9 】是流体的一种流动状态，属于非稳态复杂的不规则流动，在时间 和空间上表现为随机的脉动运动，由旋转方向随机的大小涡流叠合而成，大涡 由流动边界条件决定，受惯性力牵制，易引起低频脉动，小涡主要受粘性力作 用，易引起高频脉动。湍流现象主要表现为大小涡流之间相互作用后的流动型 式，涡流之间的彼此拉伸牵制，使大涡变成小涡，小涡变成更小的涡，最小涡 消失后，又由于边界阻碍、流体扰动和速度梯度等作用产生新涡，同时伴随大 涡变小涡的过程，最小涡最后由于粘性应力作用使旋转动能转换为热能被耗散。 2 1 2 基本控制方程 自然界的流动和传热过程都遵守三大物理规律，质量守恒、动量守恒和能 量守恒。在数值传热学中表达式如下： 1 ) 质量守恒方程( 连续性方程) 粤+ d i v ( p u ) ：0 ( 2 1 ) 对于不可压缩流体，湍流瞬时连续性方程： d i v u ：i o u + 譬+ 譬：o ( 2 2 ) u x g y u z 2 ) 动量守恒方程( n a v i e r s t o k e s 方程) 掣+ d i v ( j d 甜u ) ：一挈+ d i v ( 胛以砒) + s 。：0 ( 2 3 ) o tg ! x 掣+ d i v ( p v v ) ：一挈+ 挑( 俐咖) + s ，：o( 2 4 ) o td v 8 第2 章空调轿车室内空气湍流流动数值方法与传热特征研究 丛拿尘+ 疣v ( u ) ：一挈+ 旃v ( ，学咖) + - s f 静 ：o ( 2 5 ) o t院 式中：口d ) ：是尘+ 是堕+ 墨兰，符号& 、鼠、l 瓯是动量守恒方程的广 a x0 v0 z 义源项。 对于粘性为常数的不可压缩流动，s 。- s ，= s 。= d 3 ) 能量守恒方程 掣o t 瑚v 瑚v 怯鄹寸s 丁 泣6 ， ic j 对于不可压缩流体有： 鲁瑚v 陋舢v c 去咖恃 汜7 ， 2 1 3 湍流模型 湍流模型主要是在理论知识和实践经验指导下对流体湍流流动特性做一定 假设后总结归纳出的一组建立在雷诺平均运动方程和脉动运动方程基础上描写 湍流平均量的封闭方程组。对湍流流动进行数值模拟的方式主要有直接和非直 接两种形式，直接数值模拟无需建立湍流模型，只对该流动的控制方程直接进 行数值计算，由于湍流的多尺度不规则流动，直接求解湍流意味着对整个空间 和时间尺度的湍流进行求解，目前的计算机根本很难满足其计算量，一般来说 对湍流流动计算采用非直接数值模拟计算法比较可靠， 非直接数值模拟法在处 理湍流流动时会根据其流动特性作一定简化和近似假设，各种湍流数值模拟方 法及相应的湍流模型如图2 1 所示。 湍 流 数 值 模 拟 方 蹇翼篓l 一f 两秀孺黑 网厩= 糕 非喜接 敷值模 拟 鞲 图2 1 湍流数值模拟方法分类 9 妻一 票 第2 章空调轿车室内空气湍流流动数值方法与传热特征研究 大涡模拟l e s 法只对某个尺度以上的湍流流动进行精确求解，将大涡计算 和小涡计算分开处理，以低通滤波的思想将小于某个尺度的漩涡从流场中过滤 掉，只计算大涡，然后用统一的近似模型给出附加方程处理小涡，如此将大大 地减小计算量；r e y n o l d s 平均法主要是针对湍流引起的平均流场的变化进行求 解，即求解对象是时均化的r e y n o l d s 方程，此种方式计算量更小，目前应用较 多。封闭的r e y n o l d s 方程组包含r e y n o l d s 应力表达式，根据对其的假设和处理 方式分为r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型，前者直接构建应力方程，后者则引入 可以建立湍流应力与平均速度梯度关系的中间值来源于b o u s s i n e s q 假设的 湍动粘度也称涡粘系数。根据确定湍动粘度的微分方程个数又划分为零方程模 型、一方程模型、两方程模型。标准k s 方程湍流模型是在湍流的时均连续方 程和r e y n o l d s 方程的基础上再建立一个关于湍动能k 和一个关于湍流耗散率s 的一个关于充分发展且各向同性的湍流流动的封闭方程组，其增加的关于，c 和s 的计算公式如( 2 8 ) ( 2 9 ) 所示。本文拟选用标准k 一占方程模型。 k 方程： 掣+ 等型：f ( 肛+ 旦1 警1 崛下 ( 2 8 ) 西 缸苏jr仃k 苏j “ 一 s 方程： 一a(pe)+a(pa-uj)：f(口+丝1拿1-i-鱼g。一c2cp(29)ot 叙，苏，r仃s i 苏，j k “ k ，：c 。p ( 2 1 0 ) k g 。= “，( 考+ 善) 篝 c 2 m ) 式中：、“，一平均速度，k 一湍动能，s 一耗散量，p 一密度，一粘度， c p 、c 1 。和c ：。为常数，仃。和仃。分别为k 和s 的湍流普朗克常数，c p 。0 0 9 ， c 1 。2 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，仃1 2 1 0 ，仃。= 1 3 。 1 0 第2 章空调轿车室内空气湍流流动数值方法与传热特征研究 2 1 4 近壁面的壁面函数 壁面边界是引起涡旋和湍流的主要因素，在近壁蔚区域，流动变化梯度最 大，能够很大程度地影响流动数值模拟的准确性，该区域内，雷诺数较低，湍 流发展并不充分，最里层的黏性层完全以壁面分子黏性作用力为主，如果对其 进行直接数值模拟求解，由于该区域内速度梯度较大if 在进行网格划分时，越 靠近壁面，要求网格越细，一般在黏性支层至少需要1 0 廛以上的网格，同时f l u e n t 应用中的标准k 一占模型及其改进模型一般仅针对湍流充分发展的核心流动区域 使用求解，对于近壁面区域需采取低雷诺数的k s 模型进行计算，但不得不面 对近壁面区域的网格划分问题，另外一种方法是采用壁面函数法，即对近壁面 区域采用一组半经验公式进行处理，将壁面上的物理建与湍流核心区的相应物 理量相关联，而湍流核心流动区域使用标准k 一模型及其改进模型求解，近壁 面区域不需网格加密，仅需将求解的第一个内节点布鹰在近壁区域的对数律层 ( 完全湍流层) ，即配置在湍流充分发展区域。图2 2 表示近壁面区域使用壁面 函数法和低雷诺数k 一模型的网格划分情况。本文近壁面区域选用壁面函数处 弹。 图2 2 近壁区使用壁面函数法( a ) 和低雷诺数k s 模型( b ) 的计算网格 2 2 轿车车室传热特征 2 2 1 轿车室内空气流动的特点 空调轿车乘员舱内，经过汽车空调系统处理后的具有一定温度和速度的空 气由送风口以射流的形式送入轿车乘员舱后，与乘员舱内空气、乘员以及其他 具有传热作用的几何物件进行热湿交换，并维持轿车朵员舱内的温度、气流速 11 第2 章空调轿车室内空气湍流流动数值方法与传热特征研究 度、空气湿度以及清洁度在所期望的数值范围内，然后从各个方向以不同方式 汇集至回风口进入再循环，此过程视为空调轿车室内流场的气流组织过程。对 于一般小轿车而言，较常用的气流组织方式为中送中回，而空调客车的气流组 织方式种类较多。空调轿车乘员舱内的气流组织是否合理，与送风口和回风口 的型式、数量，位置和尺寸，送风参数( 比如送风温度、送风速度等) 以及车 室几何尺寸等都有较大关系。 2 2 2 轿车车室热平衡模型 空调汽车在户外运行过程中，随着地理位置、运行时间、工作状况、环境 情况等因素的不断变化，空调轿车车室围护结构的传热和车门缝隙渗透的热湿 量也将不断变化，同时将耦合轿车乘员和车室内几何物件，以对流换热、热辐 射和换气作用等方式影响空调轿车乘员舱的热环境，整个空调轿车乘员舱将处 于动态的热平衡过程中，为了研究简便，此处对空调轿车复杂的传热过程作一 定假设和简化，认为其车室各壁面为一维导热，车室内各个位置的初始空气为 透明介质，分布均匀且温度相同，车体外表面仅考虑太阳辐射，讨论空调轿车 乘员舱的稳态传热过程。图2 3 表示夏季日照环境下空调轿车车室与外界环境的 热交换图，主要包括以下几部分热量：轿车车室内外的温度差和太阳辐射对轿 车门窗的热作用，轿车门窗密封不良、底板缝隙进入的热空气或人为通入新风 的热负荷，轿车乘员舱乘员散发的汗湿热，发动机室传入乘员舱的热量，乘员 舱底部的冷风管道、地板和地面的反射热，乘员舱内座椅、仪表板等零件吸收 的太阳辐射后再缓慢释放的热量等，对车内空气来说，其热平衡方程例表示如 下： q = 骗+ q g + 绋+ 9 + q 尉- 4 - 鳓+ 绋+ 绞+ 绋 ( 2 1 2 ) qh m 仅1 q 。 ( 2 1 3 ) 式中：q 一轿车车室的总负荷，绕一车体壁面的传入热；骁一玻璃传入 热，绋一人体热，g 一新风热，珐，一轿车车厢内几何零件体的吸收热，翰一 轿车电动机的发热量，姥一发动机室传入热，q c 一底板、行李箱传入热，绋一 传入外露冷风管热，o c 。一储备系数，可取l 1 2 ，q 一制冷量 1 2 第2 章空调轿车室内空气湍流流动数值方法与传热特征研究 o _ a - 图2 3 空调轿车车室与外界环境的热交换图 2 2 3 车身壁面传热量 轿车车厢分为车窗、顶盖、底板、两侧围护、前后围护等部分，多分为多 层壁模型和单层模型，如图2 4 所示。考虑轿车车室壁面的热负荷计算时，一 般对轿车车室壁面作一定的假设，认为轿车车室壁面材质均匀，只进行法向方 向的一维导热，此处忽略轿车车室壁面的蓄放热特性。 圈暖 1 、装饰层2 、胶台板3 、保温层4 、铁皮5 、空气层6 、回形框槊7 、塑料地毡8 、玻璃9 、地板层 图2 4 轿车车体典型的壁面模型 对于行驶在日照条件下的空调轿车来说，太阳辐射热和室外热空气构成其 最大的室外热负荷，因此通过轿车车身进入车厢的热量主要为太阳辐射热和室 外热空气的加热量。实际物体的表面对太阳辐射都有吸收和反射的作用，物体 表面的吸收比与其自身表面性质、温度和投射辐射物体的表面性质和温度都有 关系，一般实际物体表面愈粗糙，颜色愈深，吸收的太阳辐射热也愈多，轿车 车室的外壁面吸收太阳辐射热后，壁面升温，部分热量与周围大气环境发生热 对流散发到大气中，部分热量通过温差作用，与热空气一样，从轿车车室外壁 面导热至内壁面，再经内表面辐射和空气对流换热将热量传给车内空气，公式 ( 2 1 4 ) 表示通过轿车车室壁面的传热量，对于太阳辐射对轿车车室壁面的热作 用可以以一个当量温度进行表示，公式( 2 1 8 ) 所示。 1 3 第2 章 空调轿车室内空气湍流流动数值方法与传热特征研究 绋= k f a t 卜蕊1 ( 刚矿o c ) a t = f z t 。 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) f ：= f 。+ 一一(2p 1 8 ) 火 a wa ” 式中：k 一车身壁面的传热系数，f 一车身壁面的传热面积：f 一传热温差；6 ， 一壁面各层介质材料的厚度( m ) ，九一壁面各层介质材料的导热系数，a 。一 车身内表面放热系数，取1 7 4 5 - 一2 3 2 6 ( z m 2 o c ) ，a 。一车身外表面放热系数， 当靠近外表面的空气相对速度小于2 5 6 m s 时，取2 9 0 8 ( 形m 2 o c ) ，否则按 口。= 1 3 5 ( 4 2 + 1 3 v ) ( w m 2 。c ) 计算，v 表示空气相对速度。瓦一总的轿车车 身内表面面积m 2 ，e 一总的轿车车身外表面面积m 2 。f ：车外空气综合温度， f 。一车内空气温度，r 。一车外气温，s 一轿车车身外表面的长波辐射系数，欲一 轿车车身外表面向外界发射的长波辐射和由天空及周围物体向轿车车身外表面 的长波辐射之差，矿m 2 ，壁面垂直时，a r 取零；p 一轿车车身外表面吸收系 数，一太阳辐射强度，包括太阳直射和散射。 2 2 4 车窗玻璃的传热量 空调轿车的车窗玻璃属于半透明介质，对太阳辐射具有吸收、反射和透射 的作用，吸收的太阳辐射以导热对流方式传至轿车室内空气，而经车窗玻璃透 射作用进入轿车车室的太阳辐射则照射在轿车室内的座椅等物体表面，几经轿 车室内各个物体表面对光线的吸收和漫反射作用，其辐射能力降低，很难再通 过轿车车窗玻璃辐射出去，最后积累在空调轿车乘员舱内形成玻璃温室效应。 上海交大的童灵在文献1 2 7 0 2 8 i 中就用蒙特卡洛方法对进入车室的太阳辐射能量 进行了再分配的研究，认为在数值计算过程中可将进入室内的太阳辐射热作为 对应面上的附加热源项。对于轿车室内各几何表面，由于得热量不同，轿车室 1 4 第2 章空调轿车室内空气湍流流动数值方法与传热特征研究 内各几何表面温度也不同，因此轿车室内各几何表面之间将发生辐射换热。根 据文献7 0 1 ，空调轿车的车窗玻璃的总传热系数应考虑外边界层变化的风速和 车窗玻璃与车身连接的金属框架的热桥损失，取6 3 8 ( 陟m 2 k ) 。整个空调轿 车的车窗玻璃的太阳辐射透热量可按公式( 2 1 9 ) 计算j q = r ( i ，_ ) + i s ) ( 2 1 9 ) 式中：f 一车窗玻璃的透射率，适用于3 m m 厚不包括窗框的普通玻璃，其 他车窗玻璃乘以修正系数c 。，有内遮阳时再乘以内遮阳系数；j d 、l 一太阳直 射、散射辐射强度，m 2 。 2 2 5 乘员舱人体散热量 空调轿车室内的乘员存在自身的生物热作用，向外界放出湿热，并且受乘 员所在环境、衣着、年龄、性别等客观因素的影响，1 般考虑人体散热计算时， 以成年男子为代表，再乘以群集系数( 各类人员组成比例系数) ，对乘员舱内 人体散热计算公式如( 2 2 0 ) 所示。 q 。= q + q n n ( 2 2 0 ) 式中：g 一司机的人体散热量，取1 7 0 - - - 1 7 5 w ；n 一乘员舱的人员数；n 一群集系数，取o 8 9 ；q 一男性乘员每小时的发热量，f 取1 5 0 1 6 0 形。 2 2 6 发动机室的传热量 发动机舱运行时温度比较高，对轿车乘员舱的传热量可按壁面传热计算： q e = k f a t ( 2 2 1 ) 式中：& 一发动机舱温度与轿车室内空气温度之差。 2 3 辐射模型 2 3 1 辐射概念 辐射是指能量以波或者次原子粒子移动的型态传送，代表的是物质传播的 一种状态。所谓热辐射就是热向四周传播的状态，将物体内能转化为电磁波能