（车辆工程专业论文）公路卧铺客车车室热环境数值模拟与试验研究.pdf

中文摘要 公路卧铺客车的热舒适性问题己成为严重影响其生存和发展的主要问题之， 为此国内各客车制造厂纷纷采取各种措施予以改进，而采用p u 风道的空调系统便是 其中一种通用的做法。 为了检验某客车厂生产的豪华公路卧铺客车采用叫风道空调系统后的空调效果 和验证数值模拟计算结果的准确性，本文对其空调系统的送风参数和车室内的温度 分布进行了试验测试。同时，对试验车辆的实际最人制冷和均匀等温送风两种工况 下的车室热环境进行了数值模拟计算。 设计的试验方案采用热球风速计与数字温度表分别测量各送风口的送风速度与 送风温度，采用多通道数据采集器与热电偶测量卧铺上的测点温度。测量结果用米 评价试验车辆空调系统设计的合理性与车室的热舒适性，其中部分测量结果作为边 界条件用于车内热环境的数值模拟计算。同时，测量结果还用于检验数值模拟计算 结果的准确性。 车室热环境数值模拟计算：对车室模型做适当的简化，送风口采用基本模型法 简化；车内的空气密度符合b o u s s i n e s q 假设，且参与辐射传热。采用矩形与非结构 泄合网格、r n g 女一s 两方程湍流模型、d 0 辐射模型对车室内的空气速度场及温度 场进行了稳态数值模拟计算，获得了车室内空气流速及温度的分布情况。 从模拟计算结果中读取测点上的温度计算值，并与试验测量值进行对比。结果 表明：在多数测点上，温度计算值与试验测量值接近，且温度计算值的趋势也与试 验测量值相吻合，说明数值模拟计算结果可信，且准确度较高。 均匀等温送风工况数值模拟计算结果表明：该工况有利于在车室内形成均匀的 气流组织与温度分布。因此，公路卧铺客车空调系统的风道应以实现均匀送风为设 计目标，采取合理的隔热措簏，实现各送风口的均匀等温送风。 关键词： 公路卧铺客车；空调；热环境；速度场；温度场；数值模拟；计算流体力学； 混合网格 a b s t r a c t t h ep o o rt h e r m a lc o m f o r to fh i g h w a ys l e e p e rb u s h a sb e c a m eo n eo fm a j o r p r o b l e m ss e v e r e l ya f f e c to ni t se x i s t e n c ea n dd e v e l o p m e n t ，s ot h ed o m e s t i c b u sm a n u f a c t u r e r sh a v et a k e nv a r i o u sm e a s u r e st oi m p r o v ei t ，a n do n eo fg e n e r a l m e a s u r e sa d o p t e dw a se q u i p p e da na i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw i t hf o u rd u c t s i no r d e rt ov e t i f i e de f f e c t i v e n e s so faf o u rd u c t sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t a m e q u i p p e do nad o m e s t i e - m a d el u x u r i o u sh i g h w a ys l e e p e rb u s ，a n dc h e c k e dt h e a c c u r a c yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo na i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m sa i rs u p p l yp a r a m e t e r sa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n t h ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n t m e a n w h i l e ，n u m e r i c a ls i m u f a t i o n so fp a s s e n g e r c o m p a r t m e n t st h e r m a le n v i r o n m e n tp e r f o r m e df o r t h ef o l l o w i n gt w oo p e r a t i n g m o d e s ： m a x i m u mr e f r i g e r a t i o n u n i f o r ma n dis o t h e r m a la i rs u p p l y i nt h et e s tp r o g r a m ，h o t b u l ba n e m o m e t e ra n dd i g i t a lt e m p e r a t u r em e t e rw e r e u s e dt om e a s u r ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r eo ft h ea i rs u p p l yo u t l e t sr e s p e c t i v e l y ， am u l t i c h a n n e ld a t ac o l l e c t o ra n dt h e r m a lc o u p l ew e r eu s e dt om e a s u r e t e m p e r a t u r eo fm e a s u r i n gp o i n t sa b o v et h es l e e p e r s t h er e s u l t sw e r eu s e dt o e v a l u a t et h er a t i o n a l i t vo ft h ed e s i g n e da i rc o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dt h et h e r m a l c o m f o r to ft h ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n t ，p a r to fr e s u l t sw e r eu s e da sb o u n d a r y c o n d i t i o n sf o rt h ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n t st h e r m a le n v i r o n m e n tn u m e r i c a l c a l c u l a t i o i l m e a n w h i l e t h er e s u l t so fe x d e r i m e n t a lm e a s u r e m e n tw e r ea l s ou s e d t ov e r i f yt h ea c c u r a c yo fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o oo fp a s s e n g e rc o m p a r t m e n t st h e r m a le n v i r o n m e n t a sf o l l o w i n g ：ap r o p e rs i m p l i f i c a t i o no nt h ec o m p a r t m e n tm o d e l t h eb a s i cm o d e l m e t h o du s e df o r t h ea i rs u p p l yo u t l e t s s i m p l i f i c a t i o n t h ed e n s i t vo fa i ri n t h ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n tc o n f o r m e dt ob o u s s i n e s qa s s u m p t i o n ，a n dp a r t i c i p a t e d i nr a d i a t i o nh e a tt r a n s f e r r e c t a n g u l a ra n du n s t r u c t u r e dh y b r i dg r i d s r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ( r n g ) k st u r b u l e n c em o d e a n dd i s c r e t eo r d i n a t e s ( d o ) r a d i a t i o nm o d e lw e r ea d o p tf o r t h es t e a d y s t a t en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fa i r v e l o c i t vf i l e da n dt e m p e r a t u r ef i l e d a n do b t a i n e dt h ed is t r i b u t i o no fa i rf l o w v e l o c l t ya n dt e m p e r a t u r e1 nt h ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n t r e a de a c hm e a s u r i n gp o i n t s c a l c u l a t e dt e m p e r a t u r ei nt h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o nr e s u l t s a n dc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so b t a i n e df r o me x d e r i e n t a l m e a s u r e m e n t t h ec o m p a r i s o ns h o wt h a t ：t h ec a l c u l a t e dt e m p e r a t u r ec l o s et o e x d e r i m e n t a lr e s u l t so nm o s to f m e a s u r i n gp o i n t s a n dt h et r e n d l i n eo fc a l c u l a t e d t e m p e r a t u r es h o wag o o da g r e e m e n tw i t ht h a to ft h ee x p e r i m e n t ，w h i c hi 1 1 u s t r a t e t h a tt h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t sa r ec r e d i t a b l ea n dw i t hah i g ha c c u r a c y t h er e s u l t so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni nu n i f o r ma n di s o t h e r m a la i rs u p p l y o p e r a t i n gm o d ep r o v et h a tt h iso p e r a t i n gm o d eisf a v o r a b l et of o r mu n i f o r m a i r f l o wo r g a n i z a t i o na n dt e m p e r a t u r ed is t r i b u t i o ni nt h ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n t c o n s e q u e n t l y t h ed e s i g no b j e c t i v eo fh i g h w a y s l e e p e rb u sa i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m sd u c t ss h o u l db er e a l i z ef o ru n i f o r ma i rs u p p l yr a t e ，a n du s ep r o p e r h e a ti n s u l a t i o nm e a s u r e ，r e a l i z ef o ru n i f o r ma n di s o t h e r m a la i rs u p p l yo na i r s u p p l yo u t l e t s k e y w o r d s h i g h w a ys 1 e e p e rb u s v e l o c i t yf i e l d ： c f d ： a i rc o n d i t i o n e r ；t h e r m a le n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r ef i e l d ： n u m e r i c a ls i m u l a t i o n h y b r i dm e s h 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其它个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：砑凡 论文知识产权权属声明 b 0 0 6 6 其l 岫 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 黧瓮：举f 黝 第1 章绪论 1 1 公路卧铺客车及其空调系统 公路卧铺客车是原西安公路学院( 长安大学) 陈荫三教授等人针对上世纪8 0 年代国 人出行火车票( 尤其是既铺票) 难买以及长罡巨离乘坐公路座位客车舒适性差等问题而进 行研发的，并于1 9 9 0 年获得了实用新型专利”。作为我国独创的客车新车型，公路卧 铺客车自诞生以来即受到用户的青睐，1 9 9 2 2 0 0 1 年问，全国共销售3 3 0 0 0 辆，并出现 了最高保有量超过4 0 0 0 0 辆的纪录“。，成为我国当时长途客运中一支不可或缺的力量， 并作为具有中国特色的一种车型保留至今。 公路卧铺客车( 下文简称卧铺客车) 的主要特点是载客量较大、单班运行里程长、乘 客乘卧舒适性较好但车内活动空间狭小，与其它公路交通工具相比，乘客与驾驶员处在 车内的时间也相对较长。因此，车内热环境条件对人体健康的影响，也显得更为突出。 由于卧铺客车结构上的特殊性，即使在车上装备了空调系统，目前仍存在着诸如车 内通风效果差、气流不均匀、人体及车内设备发出的异味难以消除、上下铺间温差大及 车内前后部温度偏高等问题，影响了乘客的乘卧舒适性与驾驶员的安全驾驶。这些问题 已引起国内各客车制造厂家的重视，并纷纷采取了增大车内通风量、改部分密封窗为推 拉窗、改进空调系统等措施来改善车室内的热环境条件，以满足乘客的舒适性要求。 早期的卧铺客车由普通的座位客车改装而成，其空调系统保留了座位客车的设计方 案，即在车内顶左右两侧各设置一条送风道，送风道将经空调蒸发器冷却过的空气送至 各个送风口，送风口送出的冷宁气与车内的空气、人体、卧具等进行一系列的热湿交换 后，汇集至回风u 进入下一次循环。即便是卧铺客车发展的高峰期，其空调系统的设计 思路仍受到座位客车的影响，在很长的一段时间内均是采用两风道的设计方案。 对公路客车来说，其送风道与送风口的设计合理与否将会直接影响到车内的气流组 织，并进一步影响车内的速度场、温度场、湿度场、压力场和有害气体浓度等的分布情 况。实践证明，卧铺客车采用传统的两风道设计方案无法满足乘员的热舒适性要求，会 出现上文提到的众多问题。凶此，近年各客车制造厂家己开始在卧铺客车内设计安装p u 风道空调系统，以改善车室内的热环境条什，提高乘卧舒适性。 1 2 客车车室热环境的研究方法及其优缺点 客车车室内的热环境条件主要靠空调系统调节，其优劣程度：苴接影响到行车安全性 与乘卧舒适性。安静舒适的车内环境，可以使驾驶员保持清醒的头脑，安全高效地驾驶 车辆，减少疲劳和事故的发生。同时，乘员也可以避免车外灰尘、悬浮花粉和异味气体 的干扰，减轻旅途中的疲劳，下车后能头脑清醒地投入到工作和处理各种事务中。 目前，国内对客车研发的重点多集中在底盘、车身以及相关的总成和附件i ：，忽略 了对车内热舒适性的研究，空调系统设计技术一直没有突破性的进步。虽然国内多数客 车厂家引进和开发了多种c a d c a e ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ，计算机辅助设计计算机辅助工程) 软件，用于车身结构计算、造型设计、 零部件机械设计以及动力和传动系统匹配计算等方面，但自己开发的空调系统相关软件 一般只_ i j 于冷热负荷计算，对车内热环境的研究涉及较少，特别是气流分析软件，在开 r a l 发和引进上还是空白”。 传统的客车空调系统设计是在理论分析和样车试验的基础上进行的。由于理论分析 只适合做。些简单的定性分析，分析过程考虑的影响因素有限，不能真实地反映实际情 况，对复杂区域内的空气流动情况，无法全面了解。而样车试验需要投入大量的人力、 财力与物力，测试仪器昂贵易损，且实施难度较大、周期长，新车开发过程只能对试验 中发现的缺陷进行补救，设计者无法做到对自己的设计心中有数，处于被动状态。此外， 试验也只能在道路、气候风洞试验室或汽车空调环境试验室内进行。道路试验受自然气 候条件影响大，一年只有很短的时间适合试验，且试验条件再现性差，试验结果可比性 也差”。；气候风洞试验室和汽车空调环境试验室造价昂贵，重复试验会使成本大幅上升。 数值模拟计算则能改变这一局面，在国外己得到广泛的应用，且有一大批成熟的商 用软件。它以c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，计算流体力学) 为基础，利用数值方 法求解流体流动和传热控制方程，从而获得计算域内各种变量场的数值解。c f d 的发展 历史刈以追溯到1 9 3 3 年，英国人t h o m 首次用手摇计算机求得了二维粘性流体偏微分方 程的数值解；之后到了2 0 世纪6 0 年代伴随着计算机技术的发展迅速崛起，形成了流体 力学学科里除实验流体力学和理论流体力学外的第三种研究方法。但计算流体力学仅仅 是其它两种方法的补充，并不能替代试验与理论研究，将来三者之间会达到一种平衡， 计算流体力学可用来帮助解释和了解理论与试验结果，反之亦然。三者的关系如图1 1 所示”。 图1 1 流体力学学科三种研究方法的关系 数值模拟计算可以获得计算域内各种变量场的数值解，通过对感兴趣的变量场进行 分析，可以发现设计中的缺陷，并以此为依据改进设计方案，再次进行数值模拟计算， 直至获得满意的结果。凶此，数值模拟计算具有反过来指导设计的优点。 与理论分析和样车试验两种方法相比，数值模拟计算具有成本低、速度快、资料完 1 备、具有模拟真实条件和理想条件的能力等优点。，而且可以不受气候条件和地区因素 等的影响，变被动设计为主动设计。因此，在汽车工程上得到了广泛的应用。 当然，数值模拟计算结果的准确度首先取决丁物理问题的数学模型是否正确，对无 法用合适的数学模型进行描述的问题，还有赖于试验验证。因此，在提倡数值模拟计算 的同时也不应排斥理论与试验研究。试验还是研究新的基本现象的唯一方法，初步的数 值计算对于试验设计也是有益的，利用数值计算补充研究，可减少试验工作最”。 1 3 文献综述 从人对环境的主观生理感受角度出发，建筑学上把建筑物理环境分为室内热环境、 室内声环境、建筑光学和室内空气品质等几部分。并这样定义室内热环境：“室内热环 境又称为室内气候，由室内空气温度、相对湿度、气流速度和壁面的平均辐射温度四种 参数综合形成，是以人体舒适感进行评价的一种室内环境”。处于静止状态和运行中 的客车可分别看作静止和运动着的建筑物。凶此，建筑学上对热环境的定义1 可样适用于 客车车室。 研究车室热环境的目的是为了提高其热舒适性。已有的研究成果”。认为：人体的热 感觉主要和人体的热平衡有关，而热平衡受人体的活跃程度、衣着量、空气温度、平均 辐射温度、卒气速度和卒气相对湿度影响。前两个因素属于人体个体差异，本文不予探 讨；后四个因素组成热环境条件，国内外对车室热环境的研究也大多是围绕着这四个因 素进行的。 文献 1 0 j 对1 9 9 7 年前国外相关的研究工作作了详细的介绍，其中对国内的研究工 作虽然也有介绍，但不详细。本小节主要介绍国外1 9 9 7 年以来相关的研究工作和国内 在这方面的所做的_ t 作。 c o n c e i 两。等人“( 1 9 9 9 ) 在车内空气、车身与车身表面之间热量平衡方程的基础 上建立了车室热性能( t h e r m a lb e h a v i o r ) 计算模型。该模型用来计算空调和采暖系统 的负荷，并可用于计算特定外界条件下某一具体的空调系统瞬态和稳态工况下的温度和 热流量。该文作者利用一列火车车厢在夏季进行了试验验证( 静止和运行工况) ，结果 表明：采用试验得到的对流换热系数所取得的数值模拟结果与试验结果吻合得很好。 k o j i m a 等人“( 1 9 9 9 ) 利用线形图理论( l i n e a rg r a p ht h e o r y ) 发展了- - 7 十简单 的数值模拟方法，并用来快速估算车内的温度场。该文作者发现利用这种方法得到的流 速并不满意，于是修正了温度场的计算过程：舍弃了用这种方法计算速度场，而是用测 得的速度场来估算温度，结果发现用修正的方法估算得到的温度与试验结果吻合得很 好。 f u j i r a 等人1 ( 2 0 0 1 ) 对轿车字调系统不同工况下的车室热环境进行了预测，作者 利用c f d 分析了太阳辐射( 短波辐射) 、长波辐射和热传导的耦合作用，并考虑了仪表板 通j x l 和车门等间隙处气流泄漏的影响。计算结果对试验结果的再现性令人满意，证实了 模型和方法的j 下确性。 诺丁汉大学( u n i v e r s i t yo fn o t t i n g h a m ) 的a r o u s s i d a g h i l 。( 2 0 0 1 ) 利用1 ：5 的 模型对载有“驾驶员”的轿车车室内通风气流进行了试验和计算模拟研究。分析了通风 模式下的空气流场，利用p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，粒子图像测速) 技术获 得模型内部的速度分布，并利用商用软什f l u e n t 模拟计算车室内的空气流动。预测结果 与试验数据吻合得很好并且数量上一致，得到的速度分布在轿车初始设计阶段可帮助优 化通风性能改善乘员的热舒适性。之后，a r o u s s i 和福特公司( f o r dm o t o rc o ) 的 a b d u l n o u r “( 2 0 0 2 ) 提出控制气流运动的新想法，旨在消除车内前后部区域的温度分 层，提高舒适性；并利用1 ：5 模型进行了试验研究，测量和利用c f d 模拟计算了车内的 空气流动。 v i s t e o na u t o m o t i v es y s t e m s 的r a y m o n da m d s 。( 2 0 0 2 ) 提出了车内降温和升温过 程乘员热舒适性的非稳态预测方法，计算了车内每个乘员的总体舒适性。对人体各部分 舒适性的非稳态预测可以了解局部舒适性变化情况，为发现潜在的不适原因提供更详细 的途径。该文作者在轿车车室c f d 模型内加入假人人体，并把其分为头部、胸部、手臂 等不同的部分，将c f d 分析结果导入到v i s t e o n 舒适性模型中进行主观舒适性评价。 v i s t e o n 已发展了三维参数化建模技术，工程师可以快速地建立和修改车室的c f d 模型。 伊朗科技大学( i r a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，i u s t ) 汽车工程系 的s h o c a e e 等人“( 2 0 0 4 ) 对普通轿车的h v a c ( h e a t i n g ，v e n t i l a t i o na n da i rc o n d i t i o n i n g ，采暖，通风和空调) 系统的流场和温度分布进行了二维模拟计算，作者分析了 空气温度、出口速度、进u 出口的位置和数量的影响，计算了普通模式下带有四个前部 出风口设计方案的空调效果，并借助c f d 进行优化，认为在控制台的后部增加t 个m 口 效果会更好。 可见，国外的相关研究工作大多是围绕着轿车进行，对客车车内热环境研究的文献 较少。研究工作已从早期的二维模拟转向三维模拟，边界条件考虑得越来越详细，网格 数鼍越来越大，计算精度也得到了提高。另外，考虑了人体对车内热环境的影响，其数 值模拟结果大多有试验验证。 国内的相关研究工作主要集中在上海交通大学的制冷与低温研究所，其它少数高校 和科研单位虽有涉及，但研究工作没有延续性。另外，还没有发现汽车企业从事相关研 究工作的文献。国内具有代表性的研究工作主要有： 孙学军等人“6 。( 1 9 9 6 ) 采用贴体网格和k s 湍流模型对轿车空调车室内空气流动速 度分布和温度分布进行了二维稳态模拟，计算了不同送风角度工况下的速度场和温度场 的变化。 童灵等人利用蒙特卡罗法对空调车室内的太阳辐射再分配进行了数值计算。，之 后又就太阳辐射对空调车室性能的综合影响进行了理论和试验研究“，为空调车窒热 环境分析和数值计算提供了依据。 陈江平等人相继对空调轿车降温特性“”和轿车内部热微环境“、载人车室内部空 气流场和温度场“、轻型客车聿内通风“”等进行了数值模拟和试验研究。 吴俊云等人“。1 以太阳辐射和强迫对流为边界条件，对行驶中空调客车隔热结构中 的三维温度场和热流分布进行了非稳态模拟分析，计算与试验结果符合，为空调负荷计 算和车内热环境数值模拟提供了边界条件基础。 简晓文等人“”利用零方程湍流模型对汽车空调车室内部的流场和温度场近行了仿 真计算，并将计算结果与试验结果、k s 湍流模型计算结果进行了比较，证明了零方程 湍流模型计算结果可信，可用于汽车空调车室内部流场与温度场的设计计算。 刘军扑等人“采用k 一湍流模型和有限体积法分析了客车车厢内的流场和温度 场，计算结果和试验数据对比发现采用的仿真模型能准确计算客车内的流场和温度场。 除此之外，西安交通大学的孙宗鑫等人“”利用数值模拟的方法对内置式和顶置式 客车空调系统的效果进行了对比分析，认为采用内置式空调系统，车室内的温度、速度 分布比顶置式更佳，气流组织也更合理。之后，包涛、孙宗鑫“等人针对空调客车车 内前后部温度偏高问题提出了采用双回风口窄调系统的方案，并利用k s 两方程湍流模 型和壁面函数法对采用双回风l j 空调系统的4 5 座豪华空调客车进行数值模拟。结果表 明，采用双回风口空调系统可以明显改善车内的气流组织与温度分布，日乘客头部与足 部之间的温差也得到了降低，改善了空调客车的乘坐舒适性。 综上可见，国内的研究工作也是从轿车开始的，之后逐步展开了对轻型、中型客车 车内热环境的研究，且对客车的同护结构考虑得比较详细，得到的边界条件比较精确。 但用于数值计算的计算机性能均较差，采用的网格数量也很有限，计算精度不够高，基 本上都是采用k s 两方程湍流模型。除文献 2 3 考虑了人体的影响外，其它的研究- t 作 均未考虑人体对车室热环境的影响。 1 4 本文的研究目的与意义 1 4 1 研究目的 本文通过对国内某客车厂生产的1 2 m 豪华公路卧铺大客车四风道空调系统的送风参 数与车内热环境的测量和数值模拟计算，得到了车室内的气流组织、空气速度场和温度 场的分布情况。通过试验结果与数值模拟计算结果的对比，验证数值模拟计算结果的可 靠性；同时对试验和计算得到的结果进行分析，找出试验车辆空调系统存在的不足之处。 此外，还模拟计算了均匀等温送风工况下的车内气流组织、空气速度场和温度场的分布， 验证均匀等温送风的风道是否有利于在车内形成均匀的气流分布和温度分布。为今后的 改进设计提供依据。 1 4 2 本研究的主要意义 从目前公路卧铺客车的使用情况看，存在的热舒适性问题已成为严重影响其生存和 发展的主要问题之一，亟待给予解决。此外，近年来我国生产的各种客车已开始走向国 际市场，国内客车厂家如能以此为契机，全面改善各种国产客车的热舒适性，对提高我 国客车产品在国际市场上的竞争力也有积极的意义。 在国外，没有真正意义上的公路卧铺客车，目前未见相关的研究文献与报导；而国 内至今尚未有人涉足公路卧铺客车的热舒适性研究，可供参考的资料很少。剀此，开展 本研究具有较大的工程应用价值与指导意义。 1 5 本文的主要研究内容与主要工作 分析公路卧铺客车车内空气流动与传热的特点并对其进行数学描述 公路卧铺客车车身外表面受到太阳光线的辐射照射与外界环境空气的对流作用，以 辐射和对流换热的方式与车身外表面进行热交换。车身外表面吸收的热量通过热传导的 方式传给车身内饰板，以辐射和对流换热的形式把热量传给车内空气。部分太阳辐射光 线穿透车窗玻璃进入到车室内，在车内的部分固体表面间进行辐射能量的再分配，使得 各吲体表面的温度升高，在热浮升力的作用下，空气朝上方流动，形成自然对流。风道 内的冷空气在蒸发器风机的作用下，由送风 j 送入到车室内，与车内的空气、人体、卧 具等进行热湿交换后回到回风口。因此，车身围护结构、车室与外界司时存在着辐射、 自然对流、强迫对流和热传导等多种传热方式，空气流动与温度场形成了耦合关系，使 车室内的空气流动和换热问题变得十分复杂。本文详细分析了车内空气流动与传热的特 点，并利用数学方程对其进行描述。 设计试验方案，对试验车辆空调系统的送风参数和车内热环境进行测试 受条件限制，无法通过模拟计算得到各送风口的送风参数。因此，本文设计了一套 适用于公路卧铺客车空调系统和车内热环境测试的试验方案，并对试验车辆空调系统的 送风均匀性和送风温度、车内卧铺上的温度分布进行了测量，以测量结果作为评价该车 空调系统设计合理性的依据。并将测量得到的部分数据作为边界条件应用到数值模拟计 算巾，卧铺区各测点的温度值用来检验数值模拟计算结果的准确性。 对车内热环境进行了数值模拟计算，得到车内的气流组织、空气速度场和温度场 的分布情况 分析各种送风l 的流动特点，借鉴建筑暖通空调界的风口简化方法，对送风口的几 何结构进行简化。在此基础之卜- ，建立了完整的车室几何模型，并导入到c f d 前处理软 件中，采用混合网格( h y b i r dm e s h ) 技术，生成矩形与非结构混合网格。 分析比较各种湍流模型的优缺点，选择适用于车内热环境分析的r n g ( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ，重正规化群) k s 两方程湍流模型和d 0 ( d i s c r e t e o r d i n a t e s ，离散坐标) 辐射传热模型，对车室内的热环境进行了数值模拟计算。通过分 析计算结果，找出该车空调系统存在的不足之处，为今后的改进设计提供依据。 对比数值模拟计算结果与试验结果，验证数值模拟计算的准确性。在此基础上， 进一步模拟计算均匀等温送风工况下的车室热环境，验证该工况是否有利于在车内形成 均匀的气流分布和温度分布。 读取测点上的温度计算值，与试验数据进行对比，验证数值模拟计算的准确性。在 此基础上，根据试验得到的参数，假设了一均匀等温送风工况( 空调系统的总送风量、 制冷量与原系统接近) ，并进行数值模拟计算，验证均匀等温送风工况是否有利于在车 内形成均匀的气流分布和温度分布。 第2 章试验车辆及其空调系统 2 1 试验车辆技术参数 2 1 1 试验车辆基本参数 试验车辆为某客车厂针对超长途公路客运需求而开发的大型豪华卧铺客车，其基本 参数如表2 一l 所示。图2 1 为其右前4 5 。外观图，图2 2 为其侧视图。 表2 1 试验车辆的基本参数 项目参数项目 参数 长宽高1 1 9 9 5 2 5 5 0 3 8 0 0 m 发动机功率 2 2 1 k w 2 2 0 0 r p m 最小离地间隙 2 0 0 m m 轴距 6 0 5 0 m m 发动机位置 j 舌置卧铺 4 0 个插脚铺 标准工况油耗2 6 l i o o k m座椅 司机座椅+ 附加座椅 最高车速 1 2 5 k m h其它 卫生间+ 饮水机+ 中门 厂定最大总质量1 7 5 0 0 k g视听系统v c d + 液晶显示器 前轴后轴6 0 0 0 1 1 5 0 0 k g通风系统带换气扇顶风窗 出j 日期2 0 0 5 年6 月空调系统非独立顶置式 图2 1 试验车辆外观图 图2 2 试验车辆的侧视图 2 1 2 卧铺区及驾驶区布置方案 试验车辆内部的卧铺按i + i + i 纵向双层布置，除下层右列卧铺外，其它每列设7 个 插脚铺。卫生间设在下层右列第2 排卧铺后而，中门设在卫生间之后，下层右列布置5 7 个卧铺。整车共设置4 0 个卧铺，其中上层2 1 个，下层1 9 个。饮水机布置在下层中问 列与右列第2 排卧铺之间。驾驶区左侧设有驾驶员座椅，中间设有附加的可折叠座椅， 右侧为乘客门。如图2 3 所示。 b 、 c ) 图2 3 卧铺区及驾驶区布置 2 2 空调系统 2 2 1 空调系统参数 试验车辆装备的空调系统参数如表2 2 所示。 表2 2 试验车辆空调系统参数 项目参数 项目 参数 k f d 3 2 j 型客车空调 空调系统型号 蒸发器风量7 0 0 0 m 3 h ( 非独立项置式) 蒸发器、冷凝器 4 2 5 0 1 8 2 0 2 4 5 m m蒸发器风机总功率 1 2 9 6 w 总成尺寸 压缩机型号 比泽尔4 n f c y冷凝器风量 9 0 0 0 m 。h 压缩机排量 6 4 7 c c ( 0 6 4 7 l )冷凝器风机功率 1 0 8 0 w 制冷荆 r 1 3 4 a整机耗电量 9 0 a 最大制冷量3 2 0 0 0 k c a l h ( 3 7 2 1 6 k w )新风装置 集成 郑州科林车用 额定工况f 制冷量 3 0 k w 制造厂家 空调有限公司 2 2 2 送风道 试验车辆的空调系统采用上下四风道设计，由于车内装有卫牛间，右侧下铺的风道 实际上被分为前后两段：左侧下铺风邋虽然着起来是一个整体，但在对应于第3 排卧铺 的末端处内部被隔断，因此实际上莛有6 条送风道。冷空气由蒸发器风机送到位于车顶 中部两侧的送风口，并在上层风道内沿前后方向流动。在左右两侧第2 个铺位和第6 个 铺位的前端各安装条引风道，把上崖风道内的冷风引入下层风道。左铡( 驾驶员侧) 第 2 个铺位处的引风道把冷风送剿左侧下层的第1 3 排卧铺，第6 个铺位处的弓f 风道把冷 风送到左侧下层的第4 7 摊卧铺：右侧第2 个铺位处的引风道把冷风送到右侧下层的 第1 、2 排卧铺；第6 个铺位处的引风道把冷风送到右侧下层的第5 7 摊卧铺。风道在 牟内的布置位黄如图2 4 所示。 图2 。4 厥i 遣在车内的布置位置 2 2 3 送风口与回风口 车内送风口的布置如图2 5 和图2 6 所示。图2 5 是上层送风口的布置示意图， 图2 6 是下层送风口的布置示意图，图。卜文字为对应风口的编号。为保证下铺的制冷 效果，送风口b y i b y 6 和b y l i b y l 4 内均装有强摊风扇。 图2 5 中的j l 为位于驾驶区顶部的圆形带格栅可调送风口，j 2 、j 3 是商径为4 5 珊的双半圆可调送风j ，、，4 、j 5 和j 6 位于驾驶区顶部的右侧，分别与j l 、j 3 和j 2 对 称，其结构如图2 7 所示。y l 和y 2 是位于 ：层左侧第1 排卧铺+ f ：方的直径为4 5m m 图2 5 上层送风口布置位置示意图 图2 6 下层送风口布置位置示意图 的双半圆可调送风口，y 3 和y 4 位于右侧，分别与y 2 和y l 对称，其结构如图2 8 所示。 y 5 是位于车室后部左侧直径为6 0 r a m 的双半圆可调送风口，y 6 与y 5 对称，位于右侧，其 结构如图2 - 9 所示。b l l b l 6 、b r l 、b r 2 、b r 5 和b r 6 均为矩形带格栅的可调送风口， 其结构如图2 一1 0 所示。t l 0 1 1 t l 0 7 4 、t m 0 1 - 1 t m 0 6 4 及t r 0 1 一l t r 0 7 4 均为圆 柱形可调送风口，每个送风口由1 2 个长条形小缝组成，其结构如图2 1 1 所示。b y l b y 6 、b y l l b y l 4 为圆形带格栅的可调送风口，形状与j l 、j 4 相同，内装有强排风扇。 b y t b y i o 的结构尺寸与b y l b y 6 、b y l l b y l 4 相同，但内部未装强排风扇，位于下层 风道的末端，出来的冷风吹向下层左右列第7 排卧铺，其结构如图2 1 2 所示。 回风口位于车室中部靠前位置，相对位置如图2 1 3 所示，其尺寸为1 5 5 0 2 8 0 m m 。 同风口格栅内装有过滤网，用来防止杂物被吸入，结构如图2 1 4 所示。 图2 7 驾驶区上方的送风口 图2 8 第1 排卧铺上方的双半圆送风口 图2 9 车室后部的双半圆送风口 图2 1 0 矩形可调送风口 图2 1 1 圆柱形可调送风口 图2 1 2 下层风道末端的圆形可调送风口 图2 1 3 回风口的位置 图2 1 4 回风口 第3 章车室空气流动与传热特点及其数学描述 3 1 车室内空气流动的特点 经过空调系统处理的冷空气由送风 j 送入车室内，与车内空气、人体及卧具等进行 热湿交换后，汇集至回风口进入再循环。由于送入空气的压力、速度、温度和湿度等均 和车内空气不同，因而会引起车内空气的流动，并形成定形式的流型和速度场，进而 影响到车内压力场、温度场、湿度场和有害气体浓度的分布。因此，不同的空气流动状 况会产生不同的空调效果，合理组织车内的空气流动，使其温度、湿度、流速等满足人 体舒适性要求，是气流组织的任务。气流组织受送风口回风l 位置、大小、送风参数、 回风方式和车室结构等因素的影响，其中送风口型式和结构对其影响较大。“。”。 3 1 1 送风口射流的一般规律” 冷空气由各种型式的送风口送入到车内时，通常会形成湍流射流，并成为影响室内 窄气流动的主要因素。如果射流气流没有遇到阻碍，称为自由射流( f r e ej e t ) ；如果气 流贴附其它表面流动，则称为贴附射流( a t t a c h e da i rj e t ) ；射流运动过程中，如果受 到其它障碍物的限制，改变了射流的运动规律，则称为受限射流( c o n f i n e dj e t ) 。按 送风温度与室内温度的差异，射流又可分为等温射流( i s o t h e r m a lj e t ) 和非等温射流 - 3 ( n o n i s o t h e r m a l7 e t ) l ”。 自由射流 送风口送出气流的断面尺寸与车室断面尺寸相比小得多时，四壁对射流的影响可以 忽略，这时的射流可按自由射流对待。如图3 一l 所示，气流由直径为以的送风口喷出， 初始速度为，射流边界与周围介质问的湍流动量交换使得周围空气不断地被卷入，随 着射程的增加，射流直径不断地增大，射流速度也从边界开始到轴心不断减小，但各断 面上的总动量保持不变。射流轴心速度保持不变的一段长度称为起始段，后部称为主体 段，由于起始段长度很短，工程上主要考虑的是主体段。 图3 1 自由射流示意图 射流主体段轴心速度的衰减按式( 3 1 ) 计算： “一0 4 8 “on d o + o 1 4 5 ( 3 1 ) 式中：u ，以送风口为起点至计算断面距离x 处的轴心速度，m s ； “送风口出流的平均速度，m s ； 文送风口直径，m ； x 送风l j 至计算断面的距离，m ； a 送风口的湍流系数。 湍流系数a 为无量纲数，反映了送风口断面上速度不均匀的程度，其大小取决于送 风口的形式且与射流的扩散角0 有关，即a = t 9 0 3 4 。不同型式送风口的湍流系数如表 3 1 所示。 式( 3 1 ) 仅适用于圆射流，当送风口为方形或矩形时，应转换成当量直径计算。但 当送风口的长宽比大于1 0 时，流动成为扁射流，应按式( 3 2 ) 计算。 j