（机械工程专业论文）装载机空调驾驶室室内温度场仿真及试验研究.pdf

摘要 摘要 轮胎式装载机作为重要的土方机械，其工况往往都比较恶劣，装载机司机 的工作劳动强度大、持续时间长，司机室的热舒适性对缓解司机疲劳，提高工作 效率有着至关重要的作用。装载机空调系统就是对装载机驾驶室室内空气的质量 和数量进行调节，达到热舒适的标准，以使装载机能适应环境的变化，把驾驶室 内有限空间的空气环境调节到最适合司机的工作状态，减少疲劳及事故发生。 基于c f d 理论及仿真分析软件，通过对某款装载机的空调驾驶室的温度场 分别进行了制冷和制热性能分析，得出了空调驾驶室内制冷时的温度场分别情况 和制热时的温度场分布情况，并依据热舒适性评价理论，对驾驶室的温度场分布 情况进行了分析评价。 依据国家标准规定的测试方法，测试驾驶室内的温度分布状况，分别测试 了空调的制热和制冷性能，以验证该款装载机的空调驾驶室的温度是否能够满足 国家标准要求，同时验证c f d 数值模拟建模的正确性，通过本论文的工作，找 到了进行装载机驾驶室温度场数值模拟的方法。 基于对驾驶室空间的温度场分析方法，分析了前挡风玻璃的温度分布规律， 和空调暖风的除霜效果。通过分析进风角度对玻璃表面温度分布的影响，从而得 出进风角度对除霜效果的影响，并给出了除霜进风方向的较理想的进风角度推荐 值。 关键词：驾驶室，空调，温度场，风道设计，装载机 山东大学硕七学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n te a r t hm o v i n gm a c h i n e ，w o r k i n gc o n d i t i o no ft h ew h e e ll o a d e r i sv e r yw o r s ei nt h em o s tt i m e t h eo p e r a t o r so ft h ew h e e ll o a d e ra r eu s u a l l yw o r k i n g u n d e rl o n gt i m ea n dh i 曲s t r e n g t h t h ec o m f o r t a b l et e m p e r a t u r eo ft h ei n - c a bi s v e r yi m p o r t a n tf o rr e d u c et h ed r i v e r st i r ea n de n h a n c et h ew o r k i n ge f f i c i e n c y t h ea i r c o n d i t i o n e rs y s t e mo ft h el o a d e rw i l lc h a n g et h ea i rs y s t e mi nt h ec a b ，i tc a r la d j u s tt h e a i rq u a l i t ya n dq u a n t i t yt oa c h i e v et h ec o m f o r t a b l es t a n d a r d ，m a k e st h et e m p e r a t u r e f i e l do ft h ew h e e ll o a d e r 诮t l lt h ee n v i r o n m e n t sc h a n g e ，a n da c c o r d i n g 诵t 1 1t h em o s t s u i t a b l eo p e r a t o r sw o r k i n gs t a t e b a s e do nc o m p u t a t i o n a lf l u i dm e c h a n i c sa n dh e a tt r a n s f e rt h e o r y , 、丽t l lt h ec f d s o f t w a r e ，t h ea i rc o n d i t i o n e r sr e f r i g e r a t i o na n dt h ec a l e f a c t i o np e r f o r m a n c eo fo n eo f t h ew h e e ll o a d e ri ss i m u l a t e di nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n , t h ed i s t r i b u t i n gc o n d i t i o no ft h ec a b st e m p e r a t u r ei sa c q u i r e d , a n db a s e do nt h e t h e r m a lc o m f o r t a b l et h e o r y , j u d g m e n to ft h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ec a b i ni s p r o v i d e d a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a lm e a s u r es t a n d a r d ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n go ft h e c a b i ni st e s t e di n c l u d i n gt h ec a l e f a c t i o na n dt h er e f r i g e r a t i o np e r f o r m a n c e s a c c o r d i n g t ot h i st e s t , i ti sf o u n dt h a tt h et e m p e r a t u r ei nt h eo n eo ft h ew h e e ll o a d e r s c a b s a t i s f i e dt h en a t i o n a ls t a n d a r da n dt h er e s u l to ft h ec f ds i m u l a t i o na c c o r dw i n lt h e t e s tr e s u l ta sw e l l a c c o r d i n gt ot h ew o r ko ft h i st h e s i s ，i ti sf o u n dan u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o do ft e m p e r a t u r eo fw h e e ll o a d e r sc a b b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do ft e m p e r a t u r e ，i ti sf o u n dt h er u l eo f t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h es u r f a c eo ft h ef r o n tw i n d s h i e l d a c c o r d i n gt ot h e r u l e ，t h ed e f r o s te f f e c to ft h ea i rc o n d i t i o n e ri sa c q u i r e d t h ee f f e c to ft h ef l o w d i r e c t i o nf o rt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h es u r f a c eo ft h e f r o n tw i n d s h i e l di s a n a l y z e d c o m b i n et h er e s u l to ft h es i m u l a t i o na n dt h el o c a l i z a t i o no ft h es t r u c t u r e d e s i g n , t h ei d e a lw i n dd i r e c t i o no ft h ei n l e ti sg i v e n 1 山东大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：c a b ，a i rc o n d i t i o n e r , c f d ，d u c td e s i g n ，w h e e ll o a d e r i v 目录 a b s t r a c tc h i n e s e a b s t r a c te n g l i s h 。 1i n t r o t u c t i o n 。 c o n t e n t s m i i i 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 1 2s t a t eo fr e s e a r c h 2 1 1 3r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e 4 1 2r e s e a r c hc o n t e n t sa n dm e t h o d s 5 2s i m u l a t i o no nt e m p e r a t u r ef i e l do ft h ec a b 2 1p l a y s i c a lm o d e l 7 2 2m a t h e m a t i c sm o d e l 9 2 2 1b a s i cs u p p o s e 9 2 2 2c o n t r o le q u a t i o n so f c f d 9 2 3g r i d d i n g 1l 2 4s i m u l a t i o no fr e f r i g e r a t i o n 12 2 4 1b o u n d a r yc o n d i t i o n s 12 2 4 2m e a s u r e m e n tp o i n t s 13 2 4 3s i m u l a t i o nr e s u l t 1 4 2 4 4a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t 17 2 5s i m u l a t i o no fc a l e f a e t i o n 18 2 5 1b o u d a r yc o n d i t i o n s 18 2 5 2s i m u l a t i o nr e s u l t l9 2 5 3a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t 2 3 2 6s u m m a r y 2 4 3e x p e r i m e n to nt e m p e r a t u r ef i e l do ft h ec a b 2 7 3 1e x p e r i m e n to f t h er e f r i g e r a t i o n 2 7 3 1 1o b i e c t i v e 2 8 3 1 2e x p e r i m e n ts t a n d a r d 2 8 3 1 3e x p e r i m e n te q u i p m e n t 2 9 3 1 4e x p e r i m e n ts t e p s 2 9 3 1 5t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t 。2 9 3 1 6v a l i d a t eo fr e f r i g e r a t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t 3 2 3 2e x p e r i m e n to f t h ec a l e f a c t i o n 3 3 3 2 1o b i e c t i v e 3 3 3 2 2e x p e r i m e n tm e t h o da n dr e q u i r e m e n t 3 4 3 2 3e x p e r i m e n te q u i p m e n t 3 5 3 2 4e x p e r i m e n ts t e p s 3 5 3 2 5t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t 3 5 3 2 6v a l i d a t eo f c a l e f a c t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t 3 7 3 3s u m m a r y 3 8 山东大学硕十学位论文 4d e f r o s td e s i g nb a s e do nt h es i m u l a t i o n3 9 4 1a b s t r a c t 3 9 4 2v a l i d a t eo f t h em e t h o d 3 9 4 2 1t e m p e r a t u r ee x p e r i m e n to f t h ef r o n tg l a s s 3 9 4 2 2t e m p e r a t u r es i m u a l t i o no ft h ef r o n tg l a s s 41 4 2 3a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t 41 4 3t h er e s e a r c ho ft h ee f f e c to fw i n da n g l eo nd e f r o s t i n g 4 2 4 3 1p h y s i c a lm o d e l 4 2 4 3 2e f f e c to fw i n da n g l eo nd e f r o s t i n g 4 2 4 3 3s i m u l a t i o nr e s u l t 4 4 4 3 4a n a l y s i so f d e f r o s te f f e c t i o n 4 7 4 4s u m m a r y 4 8 5c o n c l u s i o n sa n d p r o s p e c t s 4 9 5 1c o n c l u s i o n s 4 9 5 2p r o s p e c t s 5 0 r e f e r e n c e s 。 a c l n o w l e d g e m e n t s 5 5 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着经济和社会的发展，工程机械的需求数量与日剧增，装载机作为工程机 械的主要机型，其销量每年都在大幅增加。装载机作为重要的土方机械，其工况 往往都比较恶劣，装载机司机的工作劳动强度大、持续时间长，司机室的热舒适 性对缓解司机疲劳，提高工作效率有着至关重要的作用。装载机利用空调系统对 驾驶室室内空气的质量和数量进行调节，达到热舒适的标准，使装载机能适应环 境的变化，把驾驶室内有限空间的空气环境调节到最适合司机的工作状态。 装载机驾驶室室内的速度场和温度场对人体的热舒适性的影响是显而易见 的，空调设计人员如果不了解驾驶室内速度场和温度场的分布情况，为了满足实 际的要求而保守设计空调负荷量，容易使空调的负荷能力过高，从而造成设计上 的浪费。在传统的装载机温度场设计中，设计人员在对进风口、回风口以及风道 的布置时，往往只是根据个人经验进行设计，并在设计完成之后，利用试验的方 法测量驾驶室内特定点的温度情况，来判断温度场分布的合理性。通过这种方法， 很难预料不同进风及回风方式下的气流组织分布情况，也不能准确判断司机室内 的温度分布情况，从而会导致司机室内气流分布存在大量不合理的现象i l j 。 空调设计人员如果在设计初期就能预测车室内速度场和温度场的分布情况， 就可以制定出最佳的风口布置及风量设计方案，同时还可以避免能源的浪费。影 响室内空气流动的因素很多，揭示司机室内气流分布规律存在一定的困难。传统 的做法是首先通过试验研究，推导出经验或半经验公式，然后利用这些公式进行 气流组织计算。由于模型试验研究既耗费人力物力，而且受实验条件的限制，有 时很难模拟出复杂空间流动的全部特征。同时，在进行模型试验时，很多因素都 会影响试验结果的准确性，如试验设备的灵敏度、试验环境的参数变化等。这就 使通过试验数据得到的经验或半经验公式不具有通用性，只适合某一具体试验条 件下。所以，模型试验研究的经验数据的使用范围较窄，不适用于在更宽泛的变 山东大学硕士学位论文 化条件内进行温度场及速度场的准确预测。随着计算机技术的应用及快速发展， 计算流体力学技术得到了飞速的发展。利用计算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 技术可以求解各种满足守恒控制方程组的流体的流动。 c f d 即计算流体力学，是计算流体动力学的简称，是基于离散化的数值计算 方法，是进行传质、传热、动量传递以及多相流、燃烧及和化学反应研究的核心 和重要技术，广泛应用于航天、热能动力、土木水利、机械、化工及空气洁净、 暖通空调环境等诸多工程领域，它具有速度快、成本低且可以模拟不同的工况等 特点。利用c f d 技术可以对司机室内空气流动的温度场、湿度场、速度场以及有 害物制浓度场等进行模拟分析和预测，不仅可以对空调系统整体性能进行预测， 而且还可以反复多次进行“虚拟产品设计”，从而减少实际试验次数，降低设计 成本，缩短设计周期。 1 1 2 国内外的研究现状 随着计算机数值模拟技术的发展，用户对热舒适性要求的不断提高，因此， 对司机室内热舒适性的分析和改进逐步成为车用空调行业研究的热点【2 1 。汽车行 业，国外很多汽车厂家和学者对此进行过研究，国内很多学者也进行过相关的探 索和研究。目前对室内温度场分布和气流分布情况的研究多数采用数值模拟计算 和试验测试分析两种方法。温度场数值模拟计算的方法主要是建立传热与流动的 控制方程，它包括连续性方程、能量方程和动量方程，然后通过对控制方程进行 离散化处理，并使用计算流体力学软件对司机室内温度场进行仿真，并结合司机 室内热舒适性的相关条件，对空调系统的进风速度及进风温度进行优化并对进、 出风口布置等进行改进。试验测试分析是通过对实车按照一定的标准进行温度测 试来分析司机室内的温度场分布，以对空调系统的布置形式进行改进等，从而改 善司机室内的热舒适性；同时也能对数值模拟结果的正确性进行对比验证。试验 测试的优点是试验结果比较准确、可信度相对较高，试验结果和实际情况基本相 符；缺点是试验周期长、费用高。与试验测试相比，数值模拟所需的费用比试验 测试要低得多，所需的计算时间也比较短，计算精度已经能够满足实际工程需要。 在近十几年来，基于c f d 的数值模拟技术得到了快速的发展，运用数值计算的 方法对司机室内的速度场、温度场分布情况进行模拟，可以将进风气流与司机室 2 第1 章绪论 形状和座椅作为一体进行考虑，模拟计算结果的精确度高，并且具有良好的可视 性【3 】。目前，国外很多著名的汽车公司在产品开发的设计阶段都会对温度场、速 度场进行模拟计算，用以研究汽车车室内的气流组织情况和温度场分布的合理 性，并依据模拟计算的结果优化汽车空调系统的设计1 4 】【5 1 ，使汽车车室内的速度 场和温度场的分布更合理，更好的满足车内人员的热舒适性要求【6 】。例如日本的 铃木、日产公司、美国的通用等汽车公司在较早的时候就开始利用数值模拟和试 验测试相结合的方法对温度场和速度场进行研究，并且取得了一定的成果，并形 成了自己比较成熟的经验。 国内很多学者利用计算流体力学方法在不同领域对不同环境进行了温度场 数值模拟，如程东梅利用商业软件f l u e n t 对船舶居住舱室的温度场进行数值模 拟并对模拟结果进行了评价【7 j ；杨娟基于c f d 理论对空调轿车的室内温度场进行 了数值模拟并分析了多种典型情况下的温度场和速度场【l 】；靳华采用试验分析和 数值计算相结合的方法对微型客车的室内速度场、温度场进行了研刭2 j ；臧运蕾 对城轨空调空调客车的室内气流组织进行了分析，通过研究不同空调送风参数对 空调客车温度场的影响给出了合理的送风参数【s 1 ；谢青松对公交空调客车室内的 气流场在不同的送风参数值情况下进行数值模拟，并对模拟结果进行了分析比 较，给出了空调客车室内空调最佳送风参数的参考区域【9 1 。 e 雹圈 现行 外l 4 0 c 2 5 ；蓝。型盘兰翟 日射1 6 k w7 m 2 新15 0 m 3h ii ：3 5 0 m 3h - 吹出温度 蕊1 15 、，c 。97c 壁匿s ：n 爿t j 0 ：z00 27 m z kw 媛机01 2 3 m ：_ k ，r w 越? 日孵透遇率06 2 图1 1 国外温度场分析评价 山东大学硕十学位论文 工程机械行业，国外的空调生产厂家对驾驶室的温度分布使用c f d 软件进行 分析并改进，图1 1 为某日本空调企业对挖掘机驾驶室做的室内温度分布评价， 通过图1 1 可看出，利用c f d 软件对工程机械司机室进行数值模拟，可很好的改 善驾驶室内的温度分布情况。目前，国内的工程机械驾驶室的温度场主要采用试 验的方法进行测试和验证，试验方法主要参考国家标准g b1 9 9 3 3 4 - 2 0 0 5 t l o 进行。 虽然国内外对车辆的司机室进行了大量的研究，但是，还存在一定的问题： 1 ) 虽然汽车行业的车内温度场分布的研究较多，在进行工程机械驾驶室温 度场分析时可以参考借鉴，但是，因工程机械驾驶室的室内空间结构和与轿车相 比存在较大区别，在对驾驶室的内部空间进行简化时的侧重点不同。 2 ) 国内还没有对装载机驾驶室室内温度场分布的相关研究；由于技术保密 等原因，难以获取国外对工程机械驾驶室温度场分布的研究。 3 ) 虽然国家标准【1 0 】规定了工程机械驾驶室的空调、采暖和( 或) 换气试验方 法，但是该标准利用室内平均温度来评价空调暖风的性能，平均温度不能较全面 的反映驾驶室温度场分布，该试验方法存在一定的不合理性。国家标准对驾驶室 室内空调性能测试给出了试验方法，但是，按照这一方法不能对温度场的合理性 进行评价，不能通过测试得出空调的制冷性能参数与实际制冷性能之间的关系， 不能对空调制冷性能的参数选取提供指导意见或参考依据。 4 ) 目前国内工程机械企业对各机型驾驶室的温度舒适性仍然以主观评价为 主，没有相关的客观评价手段和方法。 1 1 3 研究意义 本文基于计算流体力学的基本理论，采用数值计算和试验分析相结合的方 法，对某型号装载机空调驾驶室室内的热舒适性进行了分析和研究，旨在得出的 装载机驾驶室温度场数值计算方法，为装载机新产品开发提供理论工具和设计方 法，为以后的进风口及回风口的布置提供理论依据；并找到客观的驾驶室温度舒 适性的评价手段和方法，以改善装载机驾驶室内的温度场分布情况，从而改善装 载机司机的热舒适性。本文不仅具有一定的理论意义，也具有较强的工程实用价 值。 4 第1 章绪论 1 2 论文研究内容及方法 本文以配空调的某装载机驾驶室为研究对象，应用计算机数值模拟方法，对 装载机驾驶室室内的温度场进行了研究。 第一章为绪论部分，主要综述空调驾驶室室内温度场的理论及研究意义，重 点论述c f d 技术在空调暖风领域的应用。同时对汽车空调领域及工程机械领域的 温度场研究的现状进行了论述。 第二章为装载机驾驶室室内温度场的数值模拟研究，基于计算流体力学理 论，根据装载机驾驶室的特点建立了装载机驾驶室的空间模型，对空间模型分别 进行了空调制冷温度场模拟和空调制热温度场模拟。 第三章为装载机驾驶室的温度场试验研究，基于国家标准规定的测试方法， 分别对空调驾驶室的制冷性能及制热性能进行了测试，并对测试数据进行了分 析，得出了驾驶室温度环境符合标准要求的结论。同时，依据测试数据，对数值 模拟的结果进行了验证，通过对比分析，得出数值模拟结果与试验结果基本相符 的结论。通过数值模拟与试验结果的分析，为以后的驾驶室温度场设计提供了理 论依据。 第四章为装载机驾驶室空间的温度场分析在除霜风口布置上的应用研究，通 过对驾驶室空间的温度场分析，得出了前挡风玻璃的温度分布规律，依据前挡风 玻璃的温度分布，得出了空调暖风的除霜效果。根据进风角度对玻璃表面温度分 布的影响，得出进风角度对除霜效果的影响。结合分析结果和结构设计的局限性， 给出了进风方向的较理想的推荐值。 5 山东大学硕士学位论文 6 第2 章驾驶室温度场数值模拟 影响装载机驾驶室的温度场的因素很多，驾驶室内的空气流动也非常复杂。 由于驾驶室顶棚受太阳辐射的影响，其温度高于环境温度；太阳光透过玻璃的向 驾驶室内辐射热量；环境温度高于室内温度，驾驶室前、后、左、右四个壁面向 驾驶室内通过传导传递热量。驾驶室地板因距离地面较高，因此地面的辐射热对 驾驶室的影响较小。因此，空调驾驶室的结构影响着驾驶室内的热负荷，从而也 影响室内温度场是分布。 本章通过对装载机驾驶室的热负荷进行分析，从而建立合适的三维物理模 型。通过对物理模型的分析及边界条件的设置，利用c f d 软件对温度场进行模拟 计算，并对计算结果与实际测试结果进行了分析验证。 2 1 几何模型 图2 1 空调驾驶室模型 本文对l g 9 5 6 装载机空调驾驶室的室内温度场进行数值模拟，其三维模型见 图2 一l ，其风口布置方案见图2 2 。 7 山东大学硕士学位论文 图2 - 2 风口布置图 根装载机驾驶室内部装配的零部件较多，内部空间结构非常复杂，如果对驾 驶室空间进行全面分析，从建立物理模型到划分网格再到数值模拟，都将非常困 难并且也无必要。因此，有必要对装载机驾驶室的内部结构进行简化。对一些细 小的空间结构，如果不简化，将必然导致划分网格数量的增加，使网格分布不均 并且网格形状不规则，将大大增加数值模拟的计算量。对空间结构进行简化后， 可以大大减少边界的数量，提高边界条件设置效率。 本文对l g 9 5 6 装载机驾驶室内对空气流动和传热影响较小的结构进行了简 化，抽取了该款装载机驾驶室内的空间模型，见图2 3 。 、 囤 ， ， 图2 - 3 简化后的装载机驾驶室空间模型 第2 章驾驶室温度场数值模拟 其中，对驾驶室的内部结构做了以下简化： a ) 项内饰的空间不是重点研究区域并且对整个驾驶室的空间温度场的影响 较小，因此，将驾驶室内饰顶棚的曲面造型简化为平面。 b ) 简化了各立柱内饰的圆弧过渡及圆倒角，对后内饰的曲面同样简化为平 面。 c ) 因玻璃的传热对驾驶室的热负荷影响较大，因此保留对玻璃的净透光尺 寸，即未保留玻璃与框架粘贴接触部分。 d ) 将地板上的小零部件进行简化，将驾驶室地板视为平面。 e ) 将进风口进行了简化，保留了进风口的尺寸，从而保证进风口的有效进 风面积。 f ) 将回风栅格简化为一平面，回风口尺寸及相对位置未做改动。 2 2 数学模型 2 2 1 基本假设 驾驶室内的气流速度较低，小于5 0 m s ，因此，驾驶室内空气可假设为不可 压缩气体。在进行温度场计算时，目的是计算室内温度达到稳定时的温度分布， 因此，可将驾驶室温度场计算视为定常计算，并根据驾驶室温度场分析实际情况， 对装载机驾驶室内的空气做如下假设： 1 ) 驾驶室内的空气不可压缩，并且符合b o u s s i n e s q 假设【i 。 2 ) 驾驶室内密封良好，除进风口和回风口外，其他无泄露。 3 ) 驾驶室内空气流动为稳态湍流流动。 2 2 2 计算流体力学的控制方程 流体的流动遵守物理守恒定律，主要包括质量守恒定律、动量守恒定律和能 量守恒定律，这些守恒定律用基本方程来描述。计算流体力学的基本控制方程如 卞【l l 】 1 ( 1 ) 流体力学的连续性方程 连续性方程即质量守恒方程，流体流动连续性方程的微分形式如下： 9 山东大学硕士学位论文 望+ 旦幽+ 旦幽+ 旦：o 0 t0 x a y 瑟 ( 2 1 ) 式中，“，、“y 、“：分别为x 、y 、z 三个方向的速度分量( m s ) ，f 为时间 ( s ) ，p 为密度( k g m 3 ) 。 ( 2 ) 流体力学的动量方程 动量方程的本质是满足牛顿第二定律，依据这一定律，可导出x 、y 、z 三 个方向的动量方程如下： 掣丹b ，乙) = 一塞+ 警+ 等+ 誓+ 阢( 2 - 2 a ) 耄掣+ v b y 二) = 一考+ a 苏l ：x y + 誓+ 堡b z + 矾 掣再b ：乏) = 一老+ 誓+ 等+ 鲁+ 阢 ( 2 2 b ) ( 2 2 e ) 式中，p 为流体微元体上的压强( p a ) ，r 。、f 秒、z x z 等是因分子粘性作用 产生的作用在微元体表面上的粘性应力f 的分量( p a ) ，六、正为3 个方向 的单位质量力( i s 2 ) ，若质量力只受重力，并且垂直向上，则六= = o ，正= 一g 。 ( 3 ) 流体力学的能量方程 能量守恒定律的本质是热力学第一定律，依据能量守恒定律，流体力学的能 量方程如下： 掣再 恤+ p 枷 一手 忡 沼3 ， 式中，e 为流体微团的总能( 3 k g ) ，包括内能、动能和势能之和， e “一号+ 等，乃为焓( j k g ) , 吩为组分的焓( j 他) 定义为乃2 c p ，刀， 其中，= 2 9 8 1 5 k ；为有效热传导系数( w ( m k ) ) ，= 七+ 毛，毛为湍 流热传导系数，根据所用的湍流模型来确定；为组分歹的扩散通量：瓯为包 括了化学反应热及其他用户定义的体积热源项。 1 0 第2 章驾驶室温度场数值模拟 由于本文中驾驶室内的空气流动为湍流流动，因此，在进行数值计算时选用 标准k s 模型。标准k s 模型的运输方程为： 掣+ 掣= 邻+ 兰崩哪g 一+ s 4 ， 掣+ 掣= 丢( p + 兰 考l + q 。三k 慨+ c 3 。瓯) 一c 2 。p k + 篷c 2 卸 西 苏， 吼l ”一 ”“。 一 7 式中，g k 是由于平均速度梯度产生的湍动能；g 。是由于浮力影响产生的湍动能； 为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；c l 。、c 2 。、c 3 。为经验常数，c f d 软件的默认值为c l 。= 1 4 4 、c 2 。= 1 9 2 、c 3 。= 0 0 9 ；、仃。分别为湍动能和湍 动耗散率对应的普朗特数，软件的默认值为吼= 1 0 、o 。= 1 3 。 2 3 网格划分 对三维体网格划分的形式多种多样，本文采取直接生成体网格的方式。将抽 取的驾驶室空间三维模型，另存为p a r as o l i d 的文档( x t 格式) 。用前处理软 件对进行空间三维模型进行网格划分，网格导入时注意比例缩放，在前处理软件 中的长度单位为m ，而三维建模软件如s o ll d e d g e 的长度单位为f i l m 。采用非结构 化网格，绘制好的驾驶室空间体网格见图2 - 4 。 图2 4 驾驶室空间网格 l l j 东大学硕士学位论文 2 4 制冷温度场数值分析 2 4 1 边界条件及参数设置 1 ) 将操作条件中的工作压强设为1 0 3 2 5 p a ，并且不考虑重力作用。 2 ) 驾驶室内的空气为湍流流动，选择标准的k 一模型。 3 ) 定义材料 驾驶室的各壁面材料为钢材，材料可从基础数据库直接选取。因材料的基础 数据库中没有玻璃的物性参数，因此需进行自定义。将玻璃的物性参数定义为： 玻璃密度= 2 5 0 0 k g m 3 、比热c p - - 7 5 0 ( j k g k ) 、热传导率= 1 4w m k 1 1 2 1 ；5 m m 厚玻璃的辐射热能量的透过系数= 0 8 。 4 ) 入口边界 因除霜风口在空调制冷时很少使用，因此，在进行制冷性能分析时，除霜风 口视为关闭状态。将驾驶室空调进风口设为速度入口，根据空调系统的设计性能， 入口温度为设定为2 8 3 k ，即9 8 5 ，入口速度设定为6 m s 。湍动能设为k = 0 1 0 6 m 2 s 2 ，湍动耗散率设为- 1 1 6 m 2 s 3 。 5 ) 出口边界 将回风口设定为自由出口边界，出口压力为一个大气压，即1 0 1 3 2 5 p a 。 6 ) 左右壁面边界条件 将壁面的热边界条件定义为热对流边界，材料：钢，热对流放热系数为 1 0 w m 2 - k 【1 ，壁面空气温度为3 0 9 1 5 k ，即3 6 c ；壁面厚度为0 0 2 m 。 7 ) 玻璃边界条件设置 前挡玻璃，左右玻璃，后玻璃，玻璃导热系数6 2w r n 2 k t l 2 】，壁面空气温 度为3 0 9 1 5 k 。玻璃厚度为0 0 0 5 m 。 8 ) 顶棚边界 热边界条件设置为热对流边界，热对流放热系数为1 0 w m 2 k ，壁面空气温 度为3 0 9 1 5 k ，壁面厚度为0 0 3 m 。 9 ) 底板边界 热边界条件设置为热对流边界，热对流放热系数为l o w m 2 k ，壁面空气温 度为3 0 9 1 5 k ，壁面厚度为0 0 0 6 m 。 1 2 第2 章驾驶室温度场数值模拟 1 0 ) 前壁面 热边界条件设置为热对流边界，材料：钢，热对流放热系数为1 0 w m 2 k ， 壁面空气温度为3 0 9 15 k ，壁面厚度为0 0 0 2 m 。 1 1 ) 后壁面 热边界条件设置为热对流边界，热对流放热系数为1 0 w m 2 k ，壁面空气温 度为3 0 9 1 5 k ，壁面厚度为0 0 0 2 m 。材料：钢。 2 4 2 测点的选取 摹位为毫米 图2 5 驾驶室内测点分布图 为判断驾驶室内的温度值能否符合标准要求，在进行结果分析时，需要按照 国家标准g b t1 9 9 3 3 4 所规定的测点进行选取。其测点分布见图2 5 t 1 0 1 所示，标 准规定测量1 - - - 6 点的温度，从图中可以看出，所有测点的布置均与s i p 点( 即 山东大学硕士学位论文 座椅标定点) 有关，说明各测点的温度与人体相关，可以通过测量这些点的温度 来判断驾驶室内司机的热舒适性。 2 4 3 数值模拟结果 由于驾驶室温度场问题为三维问题，全部区域显示计算结果图形不仅速度慢， 而且不容易进行分析，因此，需要定义几个典型的面，通过分析这些具有代表性 的面来反映整个温度场的分布情况。根据需求，在数值模拟完毕后，为测得图 2 5 所示l 6 各点的温度值，需要建立各点所在的平面，通过平面的交点来准确 确定测点的温度。 1 ) 确定点l 的位置，经过测点1 建立垂直于x 、y 、z 三个方向的平面，可测 得这三个平面的交点即测点1 处的温度值范围为 2 9 5 5 1 6 4 5 ，2 9 6 0 1 7 7 3 】k 。如图 2 - 6 所示。 3 9 e + 0 2 3 7 e + 0 2 3 6 e + 0 2 3 4 e + 0 2 3 3 e + 0 2 3 1 e + 0 2 3 0 e + 0 2 2 8 e + 0 2 2 7 e + 0 2 2 f i e + 0 2 2 4 e + 0 2 2 2 e + 0 2 2 1 e + 0 2 1 9 e + 0 2 1 8 e + 0 2 ，6 e + 0 2 1f i e + 0 2 13 e + 0 2 1 2 e + 0 2 1 0 e + 0 2 0 9 e + 0 2 0 7 e + 0 2 0 6 e + 0 2 0 4 e + 0 2 0 3 e + 0 2 0 1 e + 0 2 0 0 e + 0 2 9 8 e + 0 2 9 7 e + 0 2 9 5 e + 0 2 9 4 e + 0 2 9 2 e + 0 2 9 1 e + 0 2 8 9 e + 0 2 图2 - 6 测点1 处的温度范围( 单位：k ) 2 ) 经过测点2 建立垂直于x 、y 、z 三个方向的平面，可测得这三个平面的交 点即测点2 处的温度值范1 勤 2 9 6 5 1 8 9 8 ，2 9 7 ，0 2 0 2 6 k 。如图2 - 7 所示。 1 4 第2 章驾驶室温度场数值模拟 黧 33 9 e + 0 2 33 7 e + 0 2 33 6 e + 0 2 33 4 e + 0 2 33 3 e + 0 2 33 1 e + 0 2 33 0 e + 0 2 32 8 e + 0 2 32 7 e + 0 2 32 5 e + 0 2 32 4 e + 0 2 32 2 e + 0 2 32 1e + 0 2 3 1 9 e + 0 2 31 8 e + 0 2 3 1 6 e + 0 2 3 1 5 e + 0 2 3 13 e + 0 2 3 12 e + 0 2 3 1 0 e + 0 2 30 9 e + 0 2 30 7 e + 0 2 30 6 e + 0 2 30 4 e + 0 2 30 3 e + 0 2 3 0 1e , + 0 2 30 0 e + 0 2 29 8 e + 0 2 29 7 e + 0 2 29 5 e + 0 2 29 4 e + 0 2 29 2 e + 0 2 29 1 e + 0 2 28 9 e + 0 2 图2 7 测点2 处的温度范围( 单位：k ) 3 ) 经过测点3 建立垂直于x 、y 、z 三个方向的平面，可测得这三个平面的交点 即测点3 处的温度值范围为 2 9 6 5 1 8 9 8 ，2 9 7 0 2 0 2 6 】k 。如图2 - 8 所示。 3