（制冷及低温工程专业论文）公路卧铺客车车室内热环境与热舒适性的数值研究.pdf

摘要 本文以某型1 2 m 豪华公路卧铺客车的室内空气流场和乘客为研究对象，研究分析了 空调工况下车室内的气流组织与热交换状况，并对处在该环境中的乘客热舒适性进行评 价分析。 计算主要采用计算流体力学( c f d ) 的方法，运用仿真软件中r n gk 湍流模型 和d o 辐射模型，进行三维流场的数值模拟计算。在适当简化的卧铺客车室内模型中， 综合考虑车外太阳辐射和铺位上乘客散热的影响，建立客车室内三维湍流模型。对于车 室内气流组织的数值模拟结果，利用后处理软件进行可视化处理，得到各个分析平面的 温度、速度分布情况及二氧化碳的浓度分布特点，并采用不均匀系数、空气分布特性指 标( a d p i ) 和能耗系数等几种流场评价指标对乘卧区域内气流组织的分布状况进行计 算分析；对于处在客车室内流场这一典型非均匀热环境中的乘客热舒适性，分别采用 e q t 和热舒适指数法两种评价指标进行评价，并比较了这两种评价方法的特点。 经过计算分析发现，该型卧铺客车的室内空气流场分布情况并不理想，计算得出的 温度、速度不均匀系数值较大，且各个分析平面的a d p i 值偏低，与期望的数值结果相 差较远；能耗系数指标的计算结果显示，空调系统的送风方式在经济性上仍需要改进； 车内的污染物排放效果较好，但浓度分布不均特别是后部区域浓度较大；乘客的热舒适 评价结果显示，每位乘客的热舒适性随铺位位置的不同而不同，主要受太阳辐射和风口 布置的影响，表明卧铺客车的乘客热舒适性需要改进。此外，通过使用e q t 和热舒适 指数法两种评价方法发现，这两种方法在理论基础、分析的侧重点和计算难易程度等方 面均各有特点。 本文的分析研究不仅为提高公路空调卧铺客车的乘坐舒适性、降低客车空调系统能 耗、优化空调系统设计和气流组织提供了依据，而且探讨了空调客车乘客热舒适性的评 价和分析方法，为进一步的深入研究提供了思路和参考。 关键词：公路卧铺客车；计算流体力学；气流组织；热舒适性；评价 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho b j e c ti sac e r t a i nt y p eo fh i g h w a ys l e e p e rc o a c h si n d o o r a i r f l o wf i e l da n di t sp a s s e n g e r s t h ep a p e rw i l la n a l y z eh e a te x c h a n g ec o n d i t i o n so ft h ei n d o o r a i r f l o wf i e l dw h i c hi su n d e ra i r - c o n d i t i o nw o r k i n gc o n d i t i o na n de v a l u a t et h et h e r m a lc o m f o r t o fp a s s e n g e r sw h os t a yi nt h i se n v i r o n m e n t n l ec o m p u t a t i o nm a i n l yu s e st h em e t h o do fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s u s e st h e p n gk et u r b u l e n c em o d e la n dt h ed 0r a d i a t i o nm o d e l w h i c ha r ep r o v i d e db yt h e s o f t w a r e s oa st os i m u l a t et h et h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l d i nt h ee o a s h si n d o o rm o d e lw h i c h i su n d e rp r o p r i e t yp r e d i g e s t e d t h ec o m u t a t i o nc o n s i d e r st h es o l a rr a d i a t i o na n dt h eh e a t e x c h a n g eo ft h ep a s s e n g e r s i te s t a b l i s h e st h et h r e e d i m e n s i o n a lt u r b u l e n c em o d e la b o u tt h e i n d o o ra i rf l o wf i e l do ft h ec o a c h f o rt h ei n d o o ra i r f l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，u s i n g p o s t - p r o c e s s i n gs o f t w a r et ov i s u a l i z e 1 h f o u g ht h i sw ec a l lg e ta l lo ft h er e s e a r c hp l a t s t e m p e r a t u r ef i e l d , v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dt h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fc a r b o n d i o x i d e t h e ni tw i l le v a l u a t et h ed i s t r i b u t i o no ft h ea i rf l o wf i e l db yu s i n gt h ef l o wi n d e x sl i k e a s y m m e t r yc o e 伍c i e n t , a d p ia n de n e r g yc o e f f i c i e n t f o rt h ep a s s e n g e r s t h e r m a lc o m f o r t w h oa r ei nt h i st y p i c a ln o n u n i f o r n le n v i r o n m e n ts u c ha sc o a c h i n d o o ra i r f l o wf i e l d i tu s e st w o k i n d s o ft h e r m a lc o m f o r ti n d e xt oe v a l u a t e ，a n dc o m p a r e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w oi n d e x s 砌a n a l y s i sw ec a nf i n do u tt h a t , t 1 1 ed i s t r i b u t i o na b o u tt h i sk i n do fc o a c h si n d o o r a i r f l o wf i e l di sn o ts a t i s f a c t o r y n l er e s l u to ft h ec a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h ea s y m m e t r y c o e m c i e n to ft e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yi sl a r g ea n dt h ea d p ii n d e xr e s u l to fa l lo fr e s e a r c h f l a t sa r el o w , a l lo ft h ec o m p u t a t i o nr e s l u ta r ef a ra w a yf r o mt h ee x p e c t a t i o n t h ee n e r g y c o e 伍c i e n tr e s l u ts h o w st h a tt h eo u t l e t sa r r a n g e m e n to ft h ea i rc o n d i t i o ns y s t e mw h i c hi t s e c o n o m ys t i l ln e e dt ob ei m p r o v e d ；t h ei n d o o ri n f e c t a n te m i s s i o ne f f e c t si sg o o d ，b u tt h e d i s t r i b u t i o no fc o n c e n t r a t i o ni su n e v e n , p a r t i c u l a r l yt h ec o n c e n t r a t i o no fp o s t e r i o rr e g i o n si s l a r g e t h et h e r m a lc o m f o r te v a l n a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r m a lc o m f o r to fe a c hp a s s e n g e ri s d i f f e rw i t hp o s i t i o n s v a r y , m a i n l yd u et ot h ed i f f e r e n t o fs o l a rr a d i a t i o na n do u t l e t a r r a n g e m e n t i ts h o w st h a tt h ec o a c h t h e r m a lc o m f o r ts i t u a t i o nn e e d st ob ei m p r o v e d b yu s i n g t h ee v a l u a t i o no fe o ta n dt h et h e r m a lc o m f o r ti n d e xf i n do u tt h a tt h e s em e t h o d si nt h e a s p e c t sl i k et h e o r y , f o c u sa n dt h ed i 伍c u l t yo fc a l c u l a t i o na n ds oo ne a c hi n d e xh a si t so w n c h a r a c t e r i s t i c s t h ea n a l y s i so ft h i sp a p e ri sn o to n l yf o ri m p r o v i n gt h ec o m f o r to fa i r - c o n d i t i o n e d s l e e p e rc o a c h e s ，l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o no fa i r - c o n d i t i o ns y s t e m s ，o p t i m i z a t i n ga i r - c o n d i t i o n s y s t e md e s i g na n da i rf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o np r o v i d e sg i s ，b u ta l s of o rp r o b i n gi n t ot h e p a s s e n g e r s t h e r m a lc o m f o r te v a l u a t i o nw h oa r ei n s i d et h ea i r - c o n d i t i o n e dc o a c h e s a l lo ft h e s e c a np r o v i d ei d e a sa n di n f o r m a t i o n sf o rf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：h i g h w a ys l e e p e rc o a c h ；c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ；a i r f l o wf i e l d ；t h e r m a l c o m f o r t ；e v a l u a t i o n 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 汽车空调的特点及相关研究方法 随着经济发展和国民生活水平的提高，人们对出行乘坐公路客车的要求也在不断提 高，市场需求推动客车向高速化、轻量化以及更好的乘坐舒适性方向发展。在汽车技术 的发展中，由于空调对提高乘坐舒适性和行驶安全性具有重要作用，曾度成为豪华汽 车的重要标志。目前，汽车空调虽然不再是一种奢侈品的象征，但配置空调与否和空调 性能的好坏与自控程度的高低，已成为决定汽车销售率高低的重要砝码之一【1 1 。 汽车空调系统除了具有一般建筑室内空调的基本特点外，其在运行时还具有如下特 点：需要承受比较频繁和强烈的振动；车辆行驶时路边树枝和飞溅的碎石、沙土等容易 冲击、破坏空调系统部件；容易受到发动机产生的废气和渗入的雨水侵蚀；在车辆( 特 别是城市客车) 频繁启动和怠速行驶时，需要特殊的辅助设备才能保证空调系统正常运 行；由于车内空间较小，乘员密集( 特别是客车) ，空调系统的工作负荷很大；汽车车 身较薄，门窗玻璃面积占车身总面积的比率大，隔热性能要求高，热( 冷) 损失较大： 车室内部结构复杂，气流组织难以达到均匀分布；车室内热环境容易受到车外环境影响。 特别是对于公路卧铺客车，由于一般用于执行中、长距离的旅客运输任务，司乘人员将 长时间呆在车内，车室内的通风换气及热环境效果将依赖于空调系统的连续稳定运行。 在传统的汽车空调系统设计中，一般只考虑总体的送风量和制冷( 热) 量，对于车 室内气流的组织分布，大多没有进行精确设计，乘客的热舒适感觉考虑不充分。而客车 的乘员密集程度大且车室内部空间相对于轿车、货车要大得多，因此实现车室内气流组 织分布的精细设计难度更大，这就造成室内热环境及乘客热舒适性水平难以达到良好效 果。 目前，汽车空调系统的研究方法有三类，即实验研究、理论分析和计算流体力学模 拟计算。通过实验研究获得的数据准确性、真实性很高，也符合实际情况，但需要耗费 大量的实验经费和较长的实验周期，对实验仪器设备和实验操作的要求也比较严格，因 此在一定程度上制约了新车的设计生产流程。理论分析则部分借助了来自实验的经验总 结，且只能做一些基本的分析，并不能全面考虑各种因素，所反映情况的真实性不高。 计算流体力学模拟计算作为一种新兴的研究方法，可以较为直观、快捷、有效地反映整 个汽车空调系统内的传热与传质现象，从中发现问题进而推导出在设计环节中存在的不 第一章绪论 足并加于改进，因此大大减少了实车试验、缩短了研发周期、节约了设计成本，对新车 的设计生产有很大帮助。 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是当前国际上一个很热 门的研究方向，是进行传热、传质、相变分析、动量传递、化学反应、燃烧辐射和噪声 等方面研究的关键技术，在学术和工程应用上十分广泛。其中，汽车空调系统的优化设 计是c f d 技术的一个重要领域，被大量应用在压缩机内部热力与传质、除霜系统效果、 风道结构设计、蒸发器及其芯体和冷凝器及其芯体的结构优化、风机叶轮及其涡壳结构 设计和车室内空气流场等方面。 本文采用c f d 技术对公路空调卧铺客车的车室内空气流场进行数值模拟研究，分 析车室内气流组织的分布状况，并结合模拟计算结果和人体热舒适性理论对卧铺客车的 乘客热舒适性进行评价。 1 2 国内外相关研究的发展 1 2 1c f d 技术在车室内流场方面的研究 早在2 0 世纪初期，理查德就提出用数值方法解决流体力学问题，但限于当时的条 件未能实现。直到1 9 3 3 年，英国人t h o r n 用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微 分方程，开创了计算流体力学的先河。1 9 6 3 年美国学者e h 哈洛和j e 弗洛姆运用 i b m 7 0 9 0 计算机成功解决了二维长方形柱体的绕流问题，并给出尾流涡街的形成和演变 过程，受到了广泛关注；1 9 6 5 年，他们在发表的流体动力学的计算机实验中详细阐 述了计算机在流体力学中的巨大作用，引起学界重视。从此，人们把上世纪6 0 年代中 期看成是标志着计算流体力学兴起的时期【2 】。 1 9 7 4 年，丹麦的n i e l s e n 首次运用c f d 技术对通风房间内的空气流动进行数值模拟， 这是c f d 技术第一次应用在暖通空调工程领域。之后短短2 0 多年内，该技术在暖通空 调工程中的研究和应用如火如荼。而运用c f d 方法对汽车h v a c ( 供热通风与空气调 节) 领域进行研究，则始于国外一些知名的汽车企业，如：克莱斯勒、通用、福特和日 产等。其中，通用公司的h a n 开发了用于车内热环境分析的通用软件v i n e 3 d 1 3 ；日产 公司的k o m o r i y 对车内流场进行了数值分析，同时借助按比例缩小的模型，采用照相机 采集和烟气可视法对实际车内流场进行数据采剿4 】；1 9 8 8 年，日产公司的h a r a 对车内 二维、三维流场进行了计算，通过改变回风口位置，取得了更好的制冷效果，随后日产 公司在所有产品中广泛应用了该项成果【5 l ；1 9 9 7 年，j o a c h i m 使用c f d 软件s t a r - c d 2 长安大学硕士学位论文 模拟加载了人体模型条件下的车内流场，在人体热舒适性方面得到良好的计算结果，对 车内暖气1 2 安装位置提出了改进意见【6 】；1 9 9 7 年，c u r r l e 等也采用s t a r c d 软件对轿 车室内流场进行计算，并对加载的不同几何外形的人体模型热舒适性进行对比评价 7 1 ； 1 9 9 9 年，v o l v o 公司研究人员在对v o l v os 8 0 型轿车室内流场进行分析时发现，计 算网格数量的多少对计算结果有很大影响，对于他们的研究对象，至少需要两百万个网 格才能得到一个与网格数量无关的解【8 】【8 1 1 。 进入新世纪后，c f d 技术在汽车h v a c 方面的发展更加迅猛。日本研究人员 y a m a m o t o 利用数值方法对卡车室内的空气流场进行了计算，并采用简化方程预测车室 内流场的大致分布情况，实验结果与其相吻合 9 1 ；2 0 0 0 年，a g h i l 通过使用五分之一 的比例模型实验，与c f d 方法的模拟计算结果进行对比，发现在最大速度、压力方面 误差很小，但在速度曲线断点处会有较大误差【lo 】；2 0 0 2 年，l i n j i e 对车内流场的冷却 和加热工况进行瞬态数值模拟，其中采用了n r e l 的日照数据，加载太阳辐射，计算结 果和试验具有良好一致性【l l 】；2 0 0 3 年，h u a n g 在对载人车室的计算中，考虑人体呼吸对 流场的影响，且采用c f d 软件f l u e n t 中的p 1 热辐射模型计算车内的辐射效果，结 果发现在制冷工况下膝盖以下部位的温度高于其他部位的温度【1 2 】；2 0 0 5 年，c h e n 采用 非结构网格、压力中心法、标准的k 湍流模型和层流模型对车室内流场进行模拟， 发现采用标准k - 湍流模型得到的结果与试验测量结果较为符刽1 3 】。 国内相关方面的研究主要在部分高校和科研院所中开展。上海交通大学制冷与低温 研究所的陈江平、陈芝久和阙雄才等教授对汽车室内热环境的c f d 仿真进行了全面持 续的研究，通过对轿车室内二维、三维流场进行数值模拟和试验研究对比【1 4 】，对加载的 人体模型探讨采用两类热边界条件对其计算结果的影响【l5 1 ，得出了采用第二类边界条件 模拟效果更好的结论，并探讨了使用蒙特卡洛法和热辐射网格法对车室内的太阳辐射量 进行计算6 8 2 1 ，编制了软件程序；上海理工大学吴俊云等对空调客车的车厢结构传热进 行了非稳态工况下的数值分析l l 7 1 ，研究了客车回风口不同布置位置对流场分布的影响 p s ；西安交通大学王宜义对空调车内的传热建立数学模型，进行了冷负荷计算【1 9 1 ；武汉 理工大学陈见等对轿车空调三维流动和传热进行数值研刭2 0 1 ，其采用r n gk - 湍流模 型计算，并考虑了太阳辐射和人体散热的影响，研究发现回风口布置在前排时，对后排 的制冷效果造成不良影响；长安大学的申福林、林凡、张洪涛【2 卜2 4 1 探讨了如何运用c f d 和试验分析方法对空调客车室内流场进行研究，并对公路卧铺客车、旅游客车这两种客 车车型进行了车室内流场的数值模拟和试验对比研究。 3 第一章绪论 1 2 2 人体热舒适性的研究进展 “热舒适性”( t h e r m a lc o m f o r t ) 这一术语在研究人体对热环境的主观热反应中已被 广泛应用。在美国采暖、制冷与空调工程师学会的标准a s h r a es t a n d a r d5 5 1 9 9 2 中， 热舒适的明确定义是：对热环境表示满意的意识状态【2 5 1 。热环境有多种划分方法，均匀 热环境和非均匀热环境就其中的一种。在特定的环境里无任何局部吹风，或者局部吹风 的风速很小，且温度差异不大，该环境即可视为均匀热环境。而如果局部存在明显的吹 风作用，温度差异较大，则该环境可视为非均匀热环境。一般的建筑室内环境都可视为 均匀热环境。 对一般环境如建筑室内环境的热舒适分析，已有许多优秀的评价方法和指标。早在 上个世纪初期，美国采暖与通风工程师学会( a s r v e ) 的匹兹堡实验室就开始了这方 面的研究，到6 0 年代美国堪萨斯州立大学着手研究人体的热舒适性影响因素，并制定 了a s h r a e5 5 7 4 标准即人们居住的热舒适条件，后来该标准演变成a s h r a e5 5 8 1 即人们居住的热环境条件瞄l 。在欧洲，丹麦工业大学的p o f a n g e r 教授于1 9 6 7 年 发表了热环境下人体热舒适的研究论文，完成了关于人体热舒适性研究的完整理论体 系；在接下来的研究中e o f a n g e r 教授提出了p m v 、p p d 等著名的人体热舒适性评价 指标，引起各国学者的广泛关注和热烈讨论。在上世纪7 0 年代，通过许多次的人体热 舒适实验及调查研究，人们得出了诸多热环境与人体热舒适性关系的结论，论证了 p o f a n g e r 教授所提出的理论，并以e o f a n g e r 教授的热舒适性评价理论为基础，制定 了一系列对热舒适的评价指标，如：i s 0 7 3 3 0 1 9 9 4 室内热环境p m v 与p p d 指标的确 定及热舒适条件的确定【2 6 】，以及a s h r a e5 5 1 9 9 2 等。同期相似的理论还有g a g g e 教授所提出的有效温度( e t ) 的概念和标准有效温度指标( s e t ) ，这两个指标也被制定 成了a s h r a e 标准即有效温度s e t 指标，用于一般环境中的热舒适性评价。 对于在非均匀热环境中( 如车室内) 进行人体热舒适性的研究，一直是学界研究的 热点和难点。因为非均匀热环境与一般环境相比，既有联系，又有区别。以车室内环境 为例，相对于一般建筑室内环境，由于其具有空间狭小紧凑、人体体积相对于整个车内 空间的比例较大、车内结构复杂、空气流场分布不一、所受到的太阳辐射分布变化较大、 烟尘较多和污染物浓度较大等特点，建筑室内所用的热舒适评价标准( 指标) 并不完全 适用于车室内热舒适评价。另外，相对于一般环境，在非均匀热环境中需要更多地考虑 人体的热调节、热平衡，因此在研究非均匀热环境中的热舒适问题时，需要有比较成熟 的人体热调节系统研究作为基础。 4 长安大学硕士学位论文 1 9 2 9 年，英国人d u r o n 采用铜制圆柱体制成首个暖体假人，并提出了当量温度即 e t ( e q u i v a l e mt e m p e r a t u r e ) 的概念及其计算公式。1 9 4 7 年，h a t c h 建立了人体能量平 衡方程，对人体热调节系统的研究从此全面展开。1 9 6 3 年，w i s s l e r 建立了6 段全身人 体热调节系统数学模型，接着s t o l w i j k 完善了这个理论，提出6 节段2 5 单元模型，建 立了热生理活动控制模型。1 9 7 6 年，k u z n e t z 改进了s t o l w i j k 模型，并将其应用于“阿 波罗 登月工程，这是迄今为止人体热调节系统数学模型最重要的工程实例；c h e n 在 1 9 8 0 年提出了目前最为完善的生物热方程。上世纪8 0 年代中后期，北京航空航天大学 的袁修干教授和沙斌等对非均匀热环境下的人体热调节系统数学模型进行了全面系统 的研究【”1 。 随着人体热调节数学模型研究的发展和成熟，非均匀熟环境下热舒适评价理论和实 验研究也逐步开展：19 8 9 年，w y o n 2 8 】【2 9 】在s a e 技术论文中提出了e h t ( e q m v a l e m h o m o g e n e o u st e m p e r a t u r e ) 即当量均匀温度的概念，并采用男性着装的恒温暖体假人进 行试验分析；1 9 9 4 年，美国a s h r a e 学会会员s t a n a b e p h d 等发表论文，提出了用暖 体假人皮肤表面温度进行热舒适性评价的观点。 进入新世纪后，对于车室内热舒适性的研究逐步深入。2 0 0 1 年，s a e 的技术报告 s a e j 2 2 3 4 2 0 0 1 3 0 】明确定义了e q u i v a l e n tt e m p e r a t u r e 的概念，并规定如何在制冷、制热 环境中进行测量和评价；2 0 0 2 年，美国国家能源再利用实验室( n r e l ) 的j o h n r u 9 1 3 l 】 和r o mm c g u f f m 3 2 】等提出在瞬变环境中评价人体热舒适性的理论，并通过数值模拟计 算、暖体假人和真人测试方式进行论证，而j o h n r u g h 则使用a n s y s 有限元分析软件 对人体各个节段的内部温度分布进行模拟计算；2 0 0 4 年，德尔福实验室研究人员 t a e y o u n gh a i l 【3 3 1 等研究分析了e h t 评价指标模型，并建立了适用于o e m 热舒适范围的 评价模型；2 0 0 5 年，德尔福哈里森热系统工程师l 叫i nh u a n 9 1 3 4 1 等提出v t c e ( v i r t u a l t h e r m a lc o m f o r te n g i n e e r i n g ) ，即热舒适性虚拟计算工程，将c f d 技术、人体热调节计 算、e h t 热舒适评价等理论综合起来应用在建立好的s u v 模型上进行分析，并探讨各 个组成因素对评价结果造成的影响，同时在一辆s u v 上进行实车试验分析，将计算得 到的评价结果和试验得到的结果进行对比，最终显示计算值和试验值基本一致【3 5 】；2 0 0 5 年，北京理工大学的王保 t 3 6 1 教授等提出了车室内人体热舒适性计算模型，并通过算例 分析论证了模型的可行性；2 0 0 6 年，意大利比萨大学的p a r d i n i t 3 7 】在其论文中论述了如 何将c f d 计算方法和适用于车室内热舒适性评价的理论结合应用；2 0 0 7 年，意大利法 拉利工程师c a n n i z z of 【3 8 】将c f d 计算方法和前面p a r d i n i 的热舒适评价理论相结合，并 5 第一章绪论 运用于法拉利前期设计的论证中；同年，北京理工大学的刘淑艳教授【3 9 1 详细分析了适用 于非均匀热环境的e h t 、e q t 这两种热舒适性评价方法，并就其关键技术进行了详细 说明。 1 3 本文研究的目的、内容与意义 1 3 1 研究目的 从前面介绍可见，对于汽车空调系统的研究，不管是针对车室内空气流场的c f d 研究，还是针对乘客的热舒适性分析，大多以轿车为研究对象，而对客车室内的相关研 究则进行得很少。随着我国经济的发展，道路条件不断改善，客车市场需求旺盛。公路 客车作为大众出行的重要交通工具，必须不断发展和完善相关技术，以满足民众需求， 提升行业竞争力。其中，客车空调系统作为满足旅客乘坐舒适性的重要部件，具有十分 重要研究价值。 公路卧铺客车一般用于中、长距离的旅客运输任务，对于装配有空调系统的公路卧 铺客车而言，门、窗密封性良好，司乘人员将长时间处于空调系统运行所营造的热环境 中，且绝大部分乘员处于卧姿休息状态。当人体处在睡眠状态时，如果周围的空调系统 送风效果较差即空气污浊、过冷、过热和强烈的吹风感等，将极易引发头晕、头疼、畏 冷不适、喉咙干涩、疲乏无力、关节刺痛乃至面瘫等空调病症状【舡4 5 1 。因此，卧铺客车 空调系统的运行效果是否良好，对保障司乘人员在旅行期间的舒适、健康和安全具有重 要的意义。 ( 1 ) 了解、掌握卧铺客车车室内的气流组织即空气速度场和温度场等的分布情况， 以及c 0 2 浓度分布特点，评价其流场分布的合理性； ( 2 ) 探讨客车室内流场的人体热舒适性评价分析方法，全面评价乘客的热舒适性； ( 3 ) 通过客车载人工况下室内热环境的数值分析，深入和完善客车室内流场的数 值研究。 1 3 2 研究内容 以国产某型1 2 m 豪华公路卧铺大客车为研究对象，采用计算流体力学的方法对室内 的热环境条件进行数值模拟，并评价乘客的热舒适性。在数值模拟中加入人体模型，考 虑人体散热和太阳辐射，较全面地分析多种因素对车室内热环境的影响。 研究内容主要包括： 6 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 对公路卧铺客车车室内流场进行传热与流动的数学描述； ( 2 ) 根据车身结构和空调系统的送风参数，在引入人体模型并考虑人体散热和太 阳辐射情况下对车室内热环境进行c f d 的数值模拟计算，得到车室内的流场分布情况； ( 3 ) 分析总结各种应用于热环境中的气流组织评价指标和热舒适性评价指标； ( 4 ) 采用气流组织评价指标对车内的气流组织状况进行量化研究，并分析车室内 的c 0 2 浓度分布情况； ( 5 ) 利用两种热舒适性评价指标对车内乘客的热舒适性进行综合评价； ( 6 ) 对比分析两种热舒适评价方法的特点。 1 3 3 研究意义 ( 1 ) 通过本文的计算研究，探讨如何在卧铺客车车室内这一复杂环境下运用计算 流体力学( c f d ) 进行热舒适性分析的方法；研究加入太阳辐射和人体模型( 特别是加 入人体模型) 后，车室内流场分布的特点；分析典型污染物即c 0 2 的浓度分布状况，较 为全面地模拟计算出车内的流场分布情况，为研究客车车室内空气流场的分布提供更为 丰富的信息。 ( 2 ) 探讨如何在非均匀态热环境中( 如车室内) 评价人体的热舒适状况，并对比 不同评价方法的特点。本文的研究结果，对建立实用的非均匀热环境下的人体热舒适评 价模型，研究卧铺客车车室内的气流组织等，具有一定的理论和工程实际意义。 ( 3 ) 目前，对于汽车车室内流场组织的数值研究，大部分文献资料都是针对载人 工况下的轿车和小型客车进行的，对大中型客车则都采用无人工况；而有关汽车室内污 染物分布的分析研究，至今尚未查到相关资料。针对公路卧铺客车这一特定车型载人工 况下车室内空气流场的数值模拟和室内流场分布效果( 即空调运行效果) 的直观分析， 探讨全面进行客车室内流场分析的思路，找出特定车室内流场分布的缺陷，进而发现空 调系统在布局、选型和风口设计等方面的不足，为改进完善公路卧铺客车这一中国特有 车型的空调系统提供依据。 ( 4 ) 对客车乘客热舒适性的分析研究国内外并不多见，现有的研究主要针对铁路 列车、轿车和轻型客车等进行。因此，本文的研究对提高公路卧铺客车乘卧舒适性，进 而提高企业产品的竞争能力具有较大的现实意义，同时对其它大型公路客车的同类研 究，也有一定的参考价值。 7 第二章c f d 及其在流场模拟中的基础理论 第二章c f d 及其在流场模拟中的基础理论 2 1c f d 基础知识 2 1 1c f d 技术的应用范围 随着计算机技术和数值计算研究的发展，以及学术研究和工程技术的强劲需求， c f d 技术得到了飞速的发展和应用。特别是在工程技术领域，其应用范围越来越广泛 4 6 1 ，已逐渐成为广大科研和工程技术人员分析解决学术、工程问题的有力工具。目前， 其主要涉及的领域有航空航天、汽车设计、船舶、内燃机、环境、生物制药、化学处理、 石油天然气、发电系统、电子半导体、涡轮机械、制冷、材料、冶金、能源、聚合物加 工、玻璃加工和体育等。 2 1 2c f d 的基本原理和特点 ( 1 ) 基本原理 通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的 系统进行分析h 7 】。其基本思想是：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速 度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方 式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程，然后求解方程组获得场变量的 近似值。 借助流体传热与流动的基本方程即动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程 对流场分布进行模拟计算，以此得到各种物理现象下流场内各个位置的基本物理量( 如 温度、速度、压力) 的计算值和相关统计量，并可根据这些结果推导出其他的相关物理 量( 如转矩、水力损失、化学反应、结构应变等) ，还可以结合c a d 和c a e 分析进行 结构优化设计。 ( 2 ) 基本特点 适应性强、应用面广，对于现实中的流体问题由于其控制方程是非线性的，自变 量多且流场形状、边界条件复杂，很难获得解析解，而c f d 的数值解法所提供的数值 解可以基本满足工程需要。 可以借助计算机进行各种物理问题的模拟计算，不受物理模型和实验条件的限 制，具有很好的灵活性。可以完成现实中因为高温、有毒、易燃等无法实现的真实条件 和实验中只能接近而无法达到的理想条件。 8 长安大学硕士学位论文 c f d 的数值解法只是一种离散近似的计算方法，计算所得到的是流场中的近似离 散解，是有限个离散点上的数值解，而不是解析解。 c f d 技术与计算机技术的发展直接相关，即可模拟的流场复杂程度和可解决问题 的广度都与计算机处理器的运算速度、内存大小等有直接关系。 计算程序的编制和资料收集来自于长期的经验和技巧，由于某些方面的不足可能 导致计算结果不真实，当然也可以通过某种方式进行克服和弥补。 2 1 3 国际知名的c f d 应用软件 由于c f d 技术拥有着鲜明的系统性和规律性，因此比较适合于制成通用的商用软 件。自上世纪8 0 年代开始，先后出现了5 0 多种c f d 应用软件，如p h o e n i c s 、c f x 、 s t a r c d 、f l u e n t 等。随着计算机技术和数值计算技术的不断进步，这些应用软件不 断改进和升级换代，在工程实际中得到了广泛应用。以下简要介绍国内、外部分知名的 c f d 应用软件。 ( 1 ) p h o e n i c s p h o e n i c s 是英国c h a m 公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用c f d 软件，于1 9 8 1 年正式发布，是世界上第一套计算流体与计算传热的商用软件。软件的 创始人也是国际计算流体与计算传热的主要创始人、英国皇家工程院院士d b s p a l d i n g 教授及其合作者s v p a t a n k a r 等，他们所提出的一些基本算法，如s i m p l e 方法、混合 格式等对以后开发的商用c f d 软件产生了较大的影响。p h o e n i c s 软件具有广泛的开 放性，最大限度地向用户开放了程序，同时备有大量的模型选择，其自带的1 0 0 0 多个 算例广泛应用于能源动力、两相流、多相流、航空航天、传热传质、化工、燃烧、爆炸、 船舶水利、化学反应、建筑、暖通空调、流体机械、冶金、磁流体、环境和材料等领域。 ( 2 ) c f x c f x 是全球第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型商业c f d 软件，是英国a e a t e c h n o l o g y 公司在1 9 9 1 年为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发的通 用软件，c f x 具有计算结果精确、物理模型丰富和用户扩展性强等特点，也是全球第一 个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件。该软件除了可以使用有限体积 法外，还采用了基于有限元分析的有限体积法，具有多个公认的湍流模型，在处理流动 物理现象简单而几何形状复杂的问题上优势明显。目前，c f x 的应用已经遍及航空航天、 旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金和 9 第二章c f d 及其在流场模拟中的基础理论 环保等领域，为其在全球6 0 0 0 多个用户解决了大量的实际问题。 ( 3 ) s t a r c d s t a r - c d 是c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c sl t d 公司开发的全球第一个采用完全非结构化 网格生成技术和有限体积方法来研究工业领域中复杂流动的流体分析商用软件，其最初 由流体力学鼻祖英国帝国理工大学计算流体力学领域的专家g o s m a n 教授开发 ( g o s m a n 与p h o e n i c s 软件的创始人d b s p a l d i n g 曾是英国伦敦大学同一教研室的教 授) 。s t a r - c d 软件不仅在完全不连续网格、滑移网格和网格修复等关键技术上十分完 善，而且在网格适应性、计算稳定性和收敛性方面是同类软件的领先者。该软件基于有 限体积法，适用于不可压缩流和可压流( 包括亚音速流和超音速流) 计算、热力学计算 及非牛顿流计算。 ( 4 ) f l u e n t f l u e n t 是美国c r e a r e 公司( f i i 删t 公司的前身) 于1 9 8 3 年开发的通用流场c f d 计算分析软件，后来该软件的发展囊括了美国a a v i dt h e r m a lt e c h n o l o g i e s 、比利时 p o l y f l o w 和f l u e n td y n a m i ci n t e r n a t i o n a l ( f d i ) 等公司的全部技术力量。该软件是继 p h o e n i c s 软件后第二个投入市场的基于有限体积法的分析软件，也是目前功能最全 面、适应性最广的c f d 软件，在美国的市场占有率为6 0 ，美国宇航局、国防部、能 源部等均是其客户，也是国内使用最广泛的c f d 软件之一。f l u e n t 软件的设计思想 是建立基于c f d 计算需要的软件群，从用户角度出发，开发了适用于各个领域流动模 拟的子软件包，不仅提供了基于完全非结构化网格的有限体积法、基于网格节点和网格 单元的梯度算法以及灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模 型，而且还提供了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，使得其在计算速度、收敛时 间、稳定性和求解精度等方面达到最佳。f l u e n t 已广泛应用于航空航天、汽车、船舶、 机械、化工、能源动力、环境、电子和材料等行业。 ( 5 ) s t a c h 3 s t a c h 3 是清华大学建筑技术科学系用8 年时间自主研发的基于三维稳态流体流 动和传热的数值计算软件，专门针对暖通空调领域的通风、空调房间内及室外微环境的 模拟仿真等问题【4 8 1 。该软件使用了经典的k 湍流模型和适于通风空调室内湍流模拟的 m i t 零方程湍流模型，主要采用有限容积法和s i m p l e 算法，并提供了上风差分、混合 差分等多种差分格式，以及可用于求解不可压湍流的流动、传热、传质控制方程p 9 1 ，可 以模拟出不同空调系统运行时的室内温度场、速度场、空气龄场、污染物浓度场和p m v 1 0 长安大学硕士学位论文 场等，以对空调室内的气流组织、热舒适性和室内空气品质等方面进行全面综合的评价。 2 2c f d 在客车室内空气流场模拟中的基础理论 运用c f d 数值计算的方法对客车室内空气流场进行模拟仿真，需要以计算流体力 学、数值传热学、数值计算理论等为基础，建立可以正确表述客车室内空气流场中的传 热、流动、传质等规律的控制方程。当然，这些控制方程的建立是针对某一个特定条件 下的空气流场和实际空气流场的流动特点进行的。此外，还需要对所要计算分析的空气 流场进行一定程度的假设、简化，但这些假设、简化的前提是对模拟仿真结果的准确性、 真实性不产生较大影响。 2 2 1 基本假设 为了便于计算，同时又保证计算的准确性，需对计算对象作如下假设： ( 1 ) 由于客车室内空气流场的气流流速相对较小，将其视为不可压缩气体流场； ( 2 ) 将车室内气体的流动视为三维稳态湍流，忽略由于流动粘性力做功所引起的 耗散热； ( 3 ) 认为车室内