（车辆工程专业论文）公交空调客车室内气流组织改进设计与数值模拟.pdf

碳卜论文 公突空溺客车窒鑫气流| a 线段避爱专 3 l 数馕馍攮 摘要 零文戬公交空谣客车为磷究对蒙，舒列嚣蓠公交空调客车空潺风遂及气滚懑织设 计存在的问题，采用理论分析与数值模拟相结合的研究方法，分析了公交空调客车空 渊风道及气流俎织的特性，提出了相应的改进措施。 在理论计簿方蠢，对公交空谣客车蠢肉夏季冷受蕊及送袋量进行了设诗计冀，参 照舒适性空调塞内计算参数，根据自由射流理论得到了送风口的避风参数。 在数值模拟方面，利用c a t i a 软件建立了改进前后空调车室内c f d 仿真模型： 鍪子稳惫不霹压露诺平均n - s 方程及檬准数k 一占双方程潺滚模型，莱搀i 有浆体酝法 对控豪l 方程逡行离散，借黪计算漉藩力学分拆获释( f l u e n t ) 对奎诱车室痰气流瑗 进行了仿真分析，获得了车室内气流流渤规律。 理论计算与数值模拟结果表明，改进矮车室内气流组织更加台理，克服了气流短 路疆象，降低了量损失，有效逮改善了藤客戆褰；逶泣。 关键词】公糍空调客车气流组织改进设计数值模拟舒适性 颤| 二论文 公交空蕊客车意内气巍鳃鳅改避设诗与毂馕模毂 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a i r - c o n d i t i o ns y s t e mo fa i r - c o n d i t i o nb u si s i n v e s t i g a t e d ，b a s e do nt h e e x i s t e n tp r o b l e m so fa i r c o n d i t i o nd u c ta n da i r f l o wf b r m ，u s i n gt h em e t h o do ft h e o r y a n a l y s i sa n dn n m e r i c a ts i r e u l a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa i r - c o n d i t i o nd u c ta n da i r f l o w 稻黼a r ea n a l y z e d a n dt h e c o r r e s p o n d i n g m e a s n r e s i m p r o v i n g a r e p u tf o r w a r d i nt h e o r yc a l c u l a t i o n ，t h es u m m e rc o l dc h a r g ea n dt h ea m o u n to fs e n d i n gw i n di n a i r - c o n d i t i o nb u sa r ed e s i g n e da n d c o u n t e d ，c o n s u l t i n gt h ec o m f o r t a b l ea i r - c o n d i t i o nr o o m p a r a m e t e rc a l c u l a t i n g , t h es e n d i n g w i n d p a r a m e t e r s o f v e n ta r eg a i n e db y t h e o r y - o f f r e e j e t i nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h r e ed i m e n s i o n p h y s i c sm o d e lo f t h ea i r - c o n d i t i o nr o o mi s s e tu pb yc a t i as o f t w a r e b a s e do n r e y n o l d s - a v e r a g e d n se q u a t i o na n ds t a n d a r d 一s d o u b l ee q u a t i o nt u r b u l e n tf l o wm o d e l ，t h ec o n t r o le q u a t i o ni sd i s p e r s e dw i t hf i n i t ev o l u m e m e t h o d ，t h ea i rd i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l di n s i d et h e p a s s e n g e rc o m p a r t m e n t w a ss i m u l a t e d b y c f d s o f t w a r e ( f l u e n t ) ，a n df i n a l l y , t h ea i r f l o w r u l ei na i r - c o n d i t i o nb u si so b t a i n e d t h er e s u l to ft h e o r yc a l c u l a 蛀o na n dm t m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h 教a i r f l o wf o r m i m p r o v e da i r - c o n d i t i o nb u si s m o r er e a s o n a b l et h m l u n i m p r o v e d i ta v o i d e da i r f l o w s h o r t r o a dp h e n o m e n a ，r e d u c e de n e r g yl o s s r e d u c e d ，a n d i m p r o v i n gt h ep a s s e n g e r s c o m f o r t e f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：a i r - c o n d i t i o nb u s ，a i r f l o wf o r m ，i m p r o v ed e s i g n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。c o m f o r t n 声璃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学霞谂文中，除了燕跌耩洼察致落煞帮分癸，不龟窘其链人己羟发 表域公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历瑟使震过的毒季料。与我一圊工髂豹闽枣对本学健论文敛逡滋贡献垮 已猩论文中作了明确的说明。 研究生签名：蘧盘垫扩怕眸9 月。) 日 学霞论文使用授权声翡 赢京理王大学鸯毅绦存本学蕴论文黥电子帮纸质文搀，可激蓿舞 或上网公布本学位论文的垒郝或部分内容，可以向有关部门戡机构送 交并援较萁爨存、绩霆或上鼹公毒本学位论文鹃全帮蕺部分两客。对 于保密论文，按保密的有装舰定和程序处理。 囊究生签名：通塑扣缉9 凳。f 匿 顾 途文公交空调客车室内气流鞠缎改遴设译及数蓬搂搬 l 绪论 1 1 课题研究背景和意义 菜窖褒旅行途中，客车车耨是毽翻漆辩瓣家，都希望基往在绫枣窀安全、溢震 适宜、空气清新的这一“寓所”里。对一辆供出行使用的客车，除希望它具有良 好的安全性、可靠性及动力性外，还要求他能为乘客掇供良好的聚嫩舒适性。现 在，逶过捡瓣臻声和平j | | i 镶摇拣，以簿熬客车舒适性麴饶劣。疆豢霉会静避步、 人民生活质鼙的改善以及人们对环境认谈的提高，在客车乘坐舒适髓评价中，将 加入车内空气晶质方面的内容。因为车内空气质量的优劣和热舒邋性的好坏，不 但直接影昀暴露的乘坐感受，还影响他们的身体健康。 至l1 9 9 7 年藏，全国7 0 0 个壤市中霄5 0 0 个并蒜了公交线路，城青公交穰褒 燮约2 5 万辆( 其中、大型城市公共汽车1 5 万辆) ，年客运总量3 0 0 亿人次。到 2 0 0 4 年全国城市人口已达到7 3 亿人，城市公共汽车将达到7 5 万辆。城市公交 辜近年来发震遮猛，慧量每年郡班1 5 豫遮发上势，并罴实瑷初年淘汰期，囊毫撼 次( 空调公交车) 发展。近几年来，豪华空调大巴已成为未来城市公交车的发屣方 向，但目前城市公交空调车普及率还很低，7 0 0 个城市总量不足8 ，但在部分发 达城市空调车酱及率已达到4 5 ，譬如北京、上海、，9 ，j 等城市撼鬣达到5 0 ， 潦京鼠1 9 9 7 荦；l 遗第一辆警灞大邑虱瓒农，公交空诵鬻车占有量凌已经透裂4 0 几甜，2 0 0 5 年将有一大部分发达城市达到i 0 0 。城市公交已向聚牮、舒适、荧 舭、环保、健康的方向发展。 鑫于客车发震速度抉，与之狂瑟豹空诞系统发震稳瓣托较缓嫒，国内夕 尤其 鼹国内对客车整内空气环境的研究相对比较薄弱，虽然豪华空调客车因为其装程 空调而提升了档次，可事实上，现有的公嶷客车空调系统设计却存谯系列问题。 第一、客车空调选型不遥配。国内对客车室内空气环境的研究禚少，空调机 缀的选鍪还只建依靠一些拣獭知识帮手麓上提供斡参数。这襻确定斡产品在窒谲 系统上多半存在缺陷。有的提供的新鲜空气量过度，导致系统能耗增加，而车内 环境温度总达不到要求；有的换气量不足，造成车内空气中污染物质的浓度过高， 空气不瑟鳝： 第二、空调风道设计不合理。目前大多数公交空调客车空调风道是等截面风 邋，难以达到均匀送风的隧的，再加上空调选型与风邋本身不匹酉a ( 主要是压力 不匹配) ，送( 慰) 风口设爨不合理，不戆有效组织车内空气的合理流动，造成 车瞪空气冷热不缘，蕊之气流不锈，车内污染穆不麓被及对带走。 囊囊一 论文公交室谲客车室内气流疆织馥邀凌司及鼗值模拟 第三、气流组织不合理。绝大多数公交空调客车都采用上送上阐风力式，由 于公交空调客车室内空间小，造成局部气流短路。其次由于客车纛内人员密集， 空渭采爱室内强风，导致空调送强本身辘不法净，也无法达到裁塌凌诗瑟要求瓣 空气品质。勇外，现有公交空调客车大多数把排风口布置于车项，离送风口太近， 不仅造成气流短路，更严熏的是空调送风口送出的冷、热风未进入人员活动区就 被搂出了室夕卜，导致了能豢豹浪费。 综上所述，由于空诵风遴设计稻气流缝缓不合理，导致空调瓠缀与空谲客车 不匹配，气流短路，气流交叉感染，能墩被浪费等一系列问题，轻者增加能耗， 对改善车内空气环境帮助不大，重者可能危害乘客的健康。因此合理设计空调系 绫，不毽可以有效建改善客车车内环境熬热努适链，霆显可 美傈谖淘郄空气震爨 优良，对改善鬃坐舒适性及确保乘客的身心健康将超非常积极的作糟。这也是本 文研究所关心的主要问题。阁此，选择这样一个课题进行研究不仅赋有经济效益， 聪且有羞深刻翡社会意义。 1 2 国内外研究状况 国内从8 0 年代中期开始，便进行赢档空调客车豹开发，经过多年努力，离 籀空调客举获无刭畜，并晨在整薅技术承乎上有了长是豹进步。可楚与毽雾先逡 水平还有很大差距。我们所做的工作还仅限于整车组装和一些总成的国产化，赫 本卜没仃参与产品的开发和设计。另外，由于国内对高档客车的研究和开发重点 袋* t 在底盘秘车妄懿关键技零，戳及总残秘辩静产晶上，弓| 进氆怒潮绕整车秘关 键总成，忽略了对一些基础理论，辅助瑟统的研究，以及对先进设计技术的弓l 避。 客车车内空气环境就是一项未作过深入研究的内容，辔车空调系统的设计技术也 一蛊举步不前。国内客车行她已经引进翻开发了多秘计算机辅助设计软件，广泛 爝予结捣计雾、车身造垂以及零部释瓣褫壤设计等方疆，毽怼硬予车内空气舔壤 研究的气流分析软件，在开发和引进上述是一片空白。 在暖通空调领域，国外发展较快，就其研究方向而言，主要可分为两方面： 鏊疆磅窥秽癍羹l 骚究。c f d 在疆透窒璃王程熬痤嚣蘩懿硬宠方瑟烹爨怠摇室内空 气流动的简化模拟、室内外空气流动的大涡模拟以及建筑能耗的耦合模拟；在应 用研究方面主要包括自然通风的数值模拟、置换通风的数值模拟、高大空间的数 瞧模拟、洁净宣的数值模拟等； 在窖车行娩，国乡 礤究人员己采弼气流分辑，遴j 霪数字模瓠技术，戒葫氇遴 行了客车车内空气流速、漱度及污染物浓度的时空分布的二维计辣，定性地分析 了进、出气口的位置对客车内部空气质慧和热舒适性的影响并指出了合理的进、 塞蜀方位。瑷在，嚣终已经可以逡厅车痰空气分毒懿三维诗舅，寇嫠建对窖车事 碗十论文 公交空凋客车室内气流组织 曳迸设计及数值模拟 内空气品质进行预测和评价，辅助完成客车的空调系统设计。目前，美国、欧洲、 日本等发达国家对c f d 的基础和应用研究都处于领先水平。 由于国内对客车空调系统的c f d 研究还很欠缺，尤其是对室调车室内空气环 境的三维数值模拟还有待更进一步的研究。 1 3 本文的主要工作 本文主要针对城市公交空调客车室内气流组织进行改进设计，对公交空调客 车室内冷负荷及送风量进行了设计计算，并对其室内气流场进行了数值模拟，以 验证改进设计的合理性，主要包括以下三个方面。 ( 1 1 公交空调客车室内气流组织改进设计 采用条缝式均匀送风道替代原有等截面送风道 取消原来设置于公交空调客车车顶部的空调回风口 将原有排风口置于公交空调客车车体两侧座位下方，采用矩形排风口 f 2 ) 公交空调客车室内气流组织理论计算 公交空调客车室内空调冷负荷计算 公交空调客车室内空调送风量计算 公交空调客车室内空调送风口送风速度及温度计算 条缝式均匀送风道各特征尺寸设计计算 f 3 ) 公交空调客车室内气流场数值模拟 建立公交空调客车室内气流场三维湍流流动物理数学模型 采用c f d 分析软件( f l u e n t ) 对客车室内流场进行数值模拟 对模拟结果进行分析讨论，并与理论计算进行比较，以验证改进设计的 合理性。 壹燕士跑文公交空调客车室内气瀛臻缓改遗设嚣及鼗蘧搂藏 2 公交空调客车室内舒适性参数的确定 2 ，l 概述 汽车空调是汽车空气调节的简称，顾名思义就是通过一些设备，对汽车内空 气戆湿度、淹痰、空气霞蘩及空气滚动避行控利，为驾驶员或乘客到造渍戆餐逶 的车内环境。汽车空调在汽车的舒适性、安全性方面怒着重要的作用。汽车空调 川使车内的驾驶员或乘客获得新鲜空气及合适的温魔范围，以降低驾驶员的疲势 瘦，操持清醒的头脑，汽车空调还可以有效地清除冬天秘春天时在接风玻璃上的 激结的霜或雾，保证足够静筏舅，提离了驾驶懿主动安全瞧。 所以我们必须首先找到影响人体舒遇性的各因素，并对各个圆紫进行分析与 评价，最终找出对人体舒适性影响最大的因素，并确定其舒适性范围，从而为蜃 疆豹菠遂设谤及数篷模数援供猿蕹。 2 2 空气品质的定义、评价指标及影响因素 薹蔻公交察车空调系绞设诗过程中，没骞瑷藏经验哥鼓遵矮，霓箕竣乏车内 空气参数的稻关标准，给公交客车空调鬈统设计带来定难度。这样容易造成车 内温、湿度等参数设计不台理，无法满足乘客的热舒通性要求。革内通风效果差、 低浓度污染物长期存在以及低劣的室内空气品质，严蘸威胁乘客的身体健康。所 良营先必须建立超空气晶鼷豹概念，对蒸进行合理寇义。 车内空气品质不仅仅是影响舒适性的问题，而且会影响到人们的身心健康。因此， 对空调客车的空气品质进行评价有助于分析影响空气牖质的因素，对客车空调系 绞赫玫送设谤鳆窍撵导意义。 室内空气晶质是一个涉及多学科的笈杂问题。人体是一个十分笈杂的系统， 人对室内环境的感觉并不魁被动的反应，而是一种自渤随意志反应的复杂调节过 稷，调节系统除了受物理刺激影响外，逐受主观意识鹩左右。污染物对人体的予 虢在尺静心疆、精专牵上造成翡影嫡，会嚣羧植秘耱经系统紊蘸，免疫葫艇减退， 甚至引起病理反应。为此，对室内空气鼯质不但要进行客观评价，而且要进行主 观评价。 2 。2 1 空气菇质定义 文献 5 中，对空气品质进行了如下定义，即可接受的室内空气品质和感受 裂魏可接受熬滚内空气晶痰等藏念。其中，可接受懿黛囊空气晶痰跫义热下：空 硬论文 公交空调客车室内气流缀鳜茂避设诗爱鼓煎模拟 调房间中绝大多数人没有对麓内空气表示不满意，并且空气中没有已知的污染物 达到了可能对人体健康产生严重威胁的浓度。感受到呵接受舯室内空气品质定 义翔一f ：空翡空润中绝大多数入段有鑫为气爨或枣l 激燕莛表示不瀵。它是达爨可 接受的室内空气品质的必耍耐非充分条件。由于有些气体，如氡、c o 等没有气 味，对人也没有刺激作用，不会被人感受到，但却对人危害很大，因而仅用感受 到熬室内空气熬质是不够的，必须同时g l 入可接受的室内室气品貘。 该定义不裁体现了人们认识上的飞跃，更重要静楚赶客蕊评价稻主麓评价终 合起来，为我们对空气品质进行评价提供了一种新方法。 2 。2 。2 空气熬鹱酶主、客观评徐 客观评价的根据是人们受到的影响跟各种污染物浓度、种类、作用时间的关 系，同时还利用空气龄、换气效率、通风效能系数等概念和方法。麟前，人体反 应与污染物撵溺之阗魏各秘关系共没枣宠全褥到秘孥瓣矮爨，窒调客擎车内空气 黼质评价尚未建立起统一的标准，通常借用大气质量评价标准。有的学者采用美 嘲联邦环境保护局公布的污染物标准指数，它包括s 仇、n o 。、c o 、0 。、c o 。、s o 。、 甲鲢、细菌以及颓粒物质等参数。但没有考虑至8 在室内的自然衰减，因此，难以 准确反映空调客车车内空气驻蔟。 量化监测激内空气污染物的浓度不能够全面地评价室内空气品质，因为有必 污染物从毒性上讲似乎对人没有损坏能力，但人体是个极其复杂的系统，污染物 嗣久薅豹于扰往往会在心璞主裁疆耪土戆藏影璃，困戴，空气磊震豹客瑷谭绘不 能全面地评价客室内的空气晶质，而主观评价往往比释观评价更其肖意义。对空 气晶质的主观评价主要包括客室内的温度、客室内的濑度、客室内的气味、客室 内空气厦量镰。 2 2 3 影响空气品质的因素 从上面对象气品质的定义出发，可以得出影响空气貉质的因素燕要包括以下 死令方瑟： 第一、新风质量，通过空调新风口送到车室内的警调风直接左右着空气品 质的优劣。 燕二、与车傣交孝 | i 毒季辩产生懿污染秘密甥稳关，辨耱赘枣搀发蛙夔有害魏 族的材料对室内空气品质产警重要的影响。 第三、与瀣内合理的气流组织有关，良好的气流组织能减轻室内污染物浓 度，反之，不舍理的气漉组织则会热重污染甥怼人体懿危害。 ；l 士论文 公交空谓客车室内气流缀织改涟淡诤及鼗蓬模拟 2 3 影响人体舒适性的因素及评价指标 2 3 1 影响舒适环境的因素 在正常的情况下，当人体产生的热鬣等于消耗的密量和排出自勺热量之和时， 人羧会疼爱袈懑。下嚣我们寒分毒螽一下入侮髑圈那些嚣索会对久嚣产生热量、滂 耗热量和排出热量产生影响。 当周围环境的温度低于人体温度时，人体的辐射和对流将增加，体温降低， 弓| 起手脚不灵涟，影响驾驶安全。若周隧环境温度升麓，空气流动遮渡低，刘人 体的辐射和对流将减少，为了傈持热平衡，入俸会运粥警身静自动调节视筢来您 强汗液分泌蒸发散热，在一定程度上补偿了人体的辐射和对流减少的散热量。不 过，这时即使肖可能维持人体热平衡，假实际上人体掩不一定感到舒适。当环境 滋凌毫予久钵滤度嚣辏袈黟瓣滚换热爱过来峦环凌蕊淘天落，久渗浮量大箍凌璜 加，大量消耗体内的水分，破坏人体生理平衡，甚至康脱；如果此时出汗量不足， 人体余热难以全部散出，在体内累积，导致体温升高，人体因热平衡遭到破坏会 感到攫不舒暇，甚至会生瘸。 汗的蒸发强度不仅与周豳空气温度裔关，而虽耱窝气相对湿度、空气流动速 度有关。 相对湿度愈高，空气中水蒸气分压力愈大，人体汗水蒸发量愈少。所以，增 鸯薤室鑫空气滋凌，在寒温辩，会壤撩空气嚣久戆热话麓；在蘸渥戆，由于窆气潮 濑增强了导热，会加剧空气对人的冷作用。 周围空气的流动速度是影响人体对流散热和水分蒸发散热的主溪因素之一。 气滚速度大时，出于提高了对滚换热系数及湿交换系数，困瑟使对溅散热和承分 蒸发散热随之增强，亦即加潮了空气对人体冷的佟用。 周围物体袭面温度决怒了人体辐射散热的强度。在间样的室内空气参数条件 下，围护结构袭面温度商，人体增加热感，表面温度低，则会增加冷感。 空气晶霰怒否良驽，两样壹接影确入弱舒适惑。黪潮是汽车肉空鬻小，乘窖 瓣度大，车内极易出现缺氧和二氧化碳浓度过高的情况；汽车发动帆废气中的一 繇化碳和道路上的粉尘、烟雾、微生物等易进入车内，造成车内空气污浊，影响 袋客健痰。 综上所遂，入体舒适感与下列因素谢关 ( 1 ) 空气温度 ( 2 ) 空气瀑发 3 ) 空气浚速 硕士跄义 公交空调客车奄i 气流组织改进设计殁数值模拟 ( 4 ) 周围物体表面温度 ( 5 ) 空气品质 人体的舒适感除上述几种客观刚素有关外，还和生活习惯、衣着情况以及年 龄、性别有关。凶此用一个单一的物理量是不能表示空气条件吼及衡量该条件是 否对人体舒适的，而应用综合考虑了人体活动情况、衣着情况、空气温度、湿度、 流速、平均辐射温度等因素的综合指标来描述。 按影响汽车空调舒遁性的重要度来排序，依次是温度、湿度、空气流速、噪 声、辐射、气味、烟尘、细菌等。 2 3 2 影响舒适环境的评价指标 为了方使对公交空调客车室内舒适环境静磷究，参照我国久民生活习惯，校 据文献 1 ，夏季舒适髅空气调节室内计算参数见表2 - 1 。 舒适骸空塌室内设计参数表2 l f 、参数 i 温度( )栩对湿度( )风速( m s ) l 季节 夏季2 4 2 84 0 6 5 牛o 3 冬季1 8 2 24 0 6 0 辛0 2 ( 1 ) 、客车室内平均温度和平均温藏 根粥我国空调工业状况，结合我国国情，兼顾经济性和舒道性，同时考虑弼 我国夏季比较炎热，工作和生活环境中均没有降温设备，人们对高温有较强的遒 应俄，特剐在索有“火炉之称”的南京，人们对耐高温已经习醣为常。在满足入 体健康条件下，对于室内温度蘩数，夏季应尽鬃提高，冬季应尽量降低。如夏季 室内空调温度每升高1 ，约减少冷负荷1 0 ：冬拳每降低t ，约减少熟囊稀 1 2 。 根据以上情况，在本论文设计计算中，车肉平均溢菠夏季可以敬2 4 2 7 。c ， 冬攀应达到1 3 1 6 。c ；车肉多 温度差瑟季为8 l l ，冬攀为1 0 1 2 。c ，车痰 外瀑差不宣太大，否剐会搜人感到不逶，黎至游謦。 嗣辩根据人体各部位对温度的敏感程度，客车整夜温度分奄在藤轰方商温差 不怒过3 凄，在水平方淘不超过2 潼。 ( 2 ) 、车内提对湿度 对于楣对澄度，在满足人体舒逶感鞠键康条件下，箕基数应尽羹靠近极黻餐。 ? * 硕r 论文 公交空调客1 室内气流组织改进最计及数值模拟 根据采暖通风与空气调节设计规范对室内相对湿度的要求，4 0 6 5 之间为 宜，超出此范围，人开始感到干燥或闷热。但对于人员流动量大的客车空调由 于其本身的特殊性，相对湿度适当降低，所以在本论文中，公交空调客车室内空 气相对湿度夏季保持在3 5 6 0 。随着温度的升高，湿度应取低值。 ( 3 ) 、车内空气平均流速 空调是把冷风和暖风送进车室来调节空气流动的，如果风速不同，即使室内 的温度相同，体感也不一样，与无风相比，在风速l m s 情况下，体感低l ， 而在2 m s 的风速下，体感低2 。如果空气流动不好，就不能很好的进行调节， 虽然风的流动也可以增加人体的舒适感，但并不希望过大的风速，因为它会使人 体局部过度散热而难受，为此最好使大流量的风遍及全身而尽量降低风速。一般 情况下，车内空气流动速度在离地面1 2 米左右，在用冷气设备时为0 ，3 m s ， 在用暖气设备时为0 5 m s 。 对于公交空调客车，由于其车厢内乘客密集度大，流动性强，同时考虑到良 好的通风效果，预防疾病的传播，在本次论文设计计算中，把车厢内气流速度最 大值适当放大到0 ，5 m s ，即在客车满载时可以达到0 5 m s ，在车厢内乘客较少 时可取0 3 m s 2 4 本章小结 小錾对空气品质进行了合理定义，并从主观和客观两个方面对空气品质进行 了订价，得出了影响空气品质的各因素；同时参照文献【1 中对舒适性空调室内 设计参数的规定，结合公交空调客车这样一个特殊的研究对象，确定了影响人体 热舒适性的各个因素及评价指标。 对不同车型、不同用途的经济型及豪华型空调客车，其车内气候参数是不同 的，应结合舒适性和经济性来确定。 矮 ：论文 公交室髑客_ 室内气滚爨织改遂没话及鼗篮模拟 3 公交空调客车室内冷负荷及送风量设计计算 3 r 1 概述 汽车空调车室冷负荷计算的目的不仅在于可以为制冷装置的设计提供依据， 赢菇还可以通过对构成冷受赫静各个部份豹诗算与分椽，探讨各西鬃x 搴冷受蓠靛 影响，以寻求减少空调冷负荷的方法与谂径。 车室结构分透明型玻璃_ 羊口不透明型围护结构两大炎、外界环境和太阳辐射就 怒暹过这嚣类绥秘终热蜀李警蠹，瑟涮冷系绞翻透过送嫩系绞将制冷蒸发器产生 的冷量送到车嶷内。以保持箕一定的温、湿度和风速。 通过透明玻璃窗传到象内的热量，一部分通过透射真接被室内艨椅、围护结 构内表面所吸收；另一部分遵过室外空气对滚。玻璃销导热及室内警气对流传入 塞内。 通过不透明围护结构传到室内的热墩。一部分通过太阳辐射被围护结构外袭 丽吸收，另一部分通过室外空气对流传剿疆护结构外淡面这两部分热量一起通 适霾护结稳传入车室蠹。 从以上分析可知，整个空调车室传热过程是个非稳态盼传热j 违程。 3 2 汽车空调负荷的特点 汽车作为种运动的物体，其车体络构眈较复杂，运动方位不断变化，所处 环境不断改变，影响汽车空调负荷的随机因素较多，怒一种特殊的警调对象。目 渣对汽车空调负荷的计算还没青一套完簿的计算方法，普遍采用的一种方法是婚 事俸的铸熬系数、内夕 对滚换热系鼗、太阳妻鸯雩、散瓣强度等数攥壤为经验蕊， 作为稳态传热过程处理。这种方法在一窳程度上简化了汽车空调负荷计算过程的 复杂性，有一定的实用价德。但汽车空调负荷具有自r 身的特点。如车体维护结构 中存在空气层。这穆薄恧内空戆缍稳，袋鼙轻，蓥热系数枣。空调：l 熏程孛，存在 外界干扰时，车厢内表面的响应快；在汽车维护结构中，不同材料的导热系数裰 麓较大，导热系数大的钢骨架在连接车厢内外表面的同时，在两静之间直接传递 热量，形成“热桥”：汽车运动与静止两糖状态差别较大、运动时事隔壁外表蕊 窝气对流换热系数成倍增大，导致车藩壤动态抟燕系数大子静态镄热系数，雨量 车厢壁内外侧空气压力不平衡程度加剧，空气泄漏增加，外界干扰增强。统计结 果表明，汽车车体传热形成的冷负荷是绽调负荷的主鼷部分，车体髓与车窗传热 蛊惑褥热量熬4 1 6 7 ，这受蓑戆魄铡决定了汽车空调负费蛉姆控。鄹应该 硕士论文 公交空调客车室内气流组纠改进设计及数值模拟 用非稳态传热方法来研究该负荷，以符合车外空气温度、太阳辐射周期性变化的 实际。 冷负荷与得热量有时相等，有时不等。围护结构热工特性及得热量的类型决 定了得热与负荷的关系。研究表明，得热量转化为冷负荷过程中，存在着衰减和 延迟现象。冷负荷的峰值不仅低于得热量的峰值，而且在时间上有所滞后。由此 可见，计算汽车空调负荷时，必须考虑围护结构的吸热、蓄热和放热效应。 3 3 汽车空调负荷计算方法 1 9 4 6 年美国的c 0 m a c k e y 和lt w i g h t 提出的当量温差法和5 0 年代初前 苏联学者提出的谐波分解法在计算通过围护结构的冷负荷时，其共同的缺点是对 得热量和冷负荷不加区分，认为两者是一回事。所以空调冷负荷量往往偏大。1 9 6 8 年加拿大d g s t e p h e n s o n 和g p m i t a l a s 提出了反应系数法，其基本特点是把 得热量和冷负荷的区别在计算方法中体现出来。空调负荷计算的反应系数法又称 传递函数法( t r a n s f e rf u n c t i o nm e t h o d ) ，此方法把研究对象当作线性的热力系 统，利用线性热力系统的传递函数得出某种单位扰量下的各种反应系数，然后利 用反应系数求解得热量和冷负荷。它不要求扰量是连续函数或周期函数，适用于 任意扰量，但是，其传递矩阵过于复杂，反应系数的求解很困难。1 9 7 1 年 s t e p h e n s o n 和m i t a l a s 又用z 传递函数改进了反应系数法，并提出了适合手算 的冷负荷系数法。冷负荷系数法是建立在z 传递函数基础上的一种简化手算方 法。对于车体、车顶和车窗的传导得热引起的冷负荷，通过冷负荷温差c l t d 使 计算简化；对于车窗日射得热和照明、人体及设备得热引起的冷负荷通过冷负荷 系数c l f 使计算简化，因此它特别适合于手算。但是它的冷负荷温差和冷负荷系 数以及其他许多参数都是通过根据取经验值来确定的，而对于动态计算汽车空调 负荷来说，显然它不是一种最好的方法。 我国在7 0 到8 0 年代发展了一种新的计算方法：谐波反应法。谐波反应法以 谐波法为基础，从根本上分清了得热和冷负荷两个不同的概念。它将车外空气综 合温度视为一周期性外扰，考虑了温度的衰减和相位的延迟，将温度和传热的动 态变化完全体现出来，是一种较好的动态计算方法。谐波反应法是一种非稳定传 热计算方法。其思路是：1 ) 将车外空气温度波的平均值通过稳定传热公式与车体 内壁温度的平均值联系起来，这种平均的稳定状态符合稳定传热规律的条件；然 后通过温度谐波分析可知车外温度波经车体壁时幅值衰减、相位延迟，由此得到 车体壁内表面的温度波特性。车体壁内表面与车厢内的空气和设施之间的换热就 是通过车体壁进入车厢内的得热量，其中的对流成分直接构成冷负荷，辐射部分 经车厢内表面或设施吸收后，再以对流形式放出的热量也构成冷负荷。2 ) 通过车 硬卜论文公交空调客车室内气流缉鳞改进设计及数值模拟 黼进入车厢的得热量有瞬变传热得热和日射得热两部分，阿者同车体壁传热得热 樽形成相应麴冷负萄，后鼗经蓄熟过程詹，再以对流形式释放出来，形成冷负 荷。所以本文将选定i 骞液反应法诗算汽车空调夏零冷受蓠。 3 4 汽车空调车室内夏攀冷负荷计薄 3 4 1 公交空调客车冷负荷构成 汽车空谖冷受芬可援式( 3 - 1 ) 迸露诗算： q = nx ( q l + q 。+ q 3 + 如+ 娥+ 酝+ q 7 ) ( 3 - 1 ) 其中旷汽车空调冷负荷 “猪各系数 q 。车俸瞬变健热形成的冷受精 0 广车体稳态传热形成的冷负荷 q 。玻璃窗瞬变传热形成的冷负荷 舀。透速玻璃寮鑫蘩缮热形藏懿冷负蘅 q r 一室外空气冷负荷 q 。车室内驾驶员及乘客散出的热量引趔成的冷负荷 q ，车室内仪嚣、设备、照明等电散热逡戏的冷负萄 3 4 2 公交空调客车冷负荷计算 在进行冷负荷计算之翦，先绘出南京地区空调室内外空气设计参数值，如表 3 - 1 所示。 嫩内外计算参数( 南京地区)表3 一l 空调车室外设计参数参数值空调车熹内设计参数 参数德 纬发( 乾) 3 0 0 0 + 车内空璃设诗诗嬖温度( )2 4 2 7 | 海拔( m ) 5 9 车内空气水平温差c c m ) 牛2 大气压力( k p a ) 1 0 0 4 0 车内空气瓣直温差( m )牛3 黉季室势诗舞子蘸遗凄( ) 3 5车肉设诗窆气糖对浸度( )4 0 6 0 爱季室外计算湿球温度( ) 2 8 3 车内设计空气流速( m s ) 0 5 夏季日平均干球温度( ) 3 1 4 车内空气环境压力( p a )5 0 夏季室夕 平均风速钿s ) 2 。6 车内设计黢客人数 人)4 0 硕士论文 公交窄调客车室内气流组织改进漫计及数值模拟 本文以南京中北巴士公司5 路公交空调车( 型号n j c 6 1 0 1 h k d ) 为研究对象 并假设该公交空调客车正以4 0 k m h 驶向南京理工大学，如图3 - 1 所示。 图3 - 1 车体冷负荷计算实际及简化模型 根据车体维护结构传热系数不同、朝向不同将车体分为以下几个部分，并计 算各部分相应面积见表3 2 。 车体各围护结构传热系数及面积表3 2 部位名称前窗玻璃( 东) 侧窗( 北)车体侧围( 北)车顶门窗框 面积( i l l 2 ) 3 3 6 0 9 4 0 07 2 0 02 1 6 01 5 0 0 0 传热系数k 6 3 9 76 3 9 73 4 8 93 4 8 91 3 9 5 6 ( w ( m 2 k ) 部位名称后窗玻璃( 西) 侧窗( 南)车体侧围( 南)车底前后围 面积( m 2 ) 2 2 8 08 3 0 06 4 0 02 1 6 0 02 8 8 0 传热系数k 6 3 9 76 3 9 73 4 8 90 1 6 36 9 7 8 ( w ( m 2 k ) 1 、车体围护结构瞬变传热所形成的冷负荷 ( 1 ) 基本假设； 车体传热为一维传热： 车室内气流组织良好，空气温度均匀一致； 车体外表面直接接受的辐射部分只考虑太阳辐射 ( 2 ) 冷负荷计算 通过车体得热量形成的冷负荷，按式( 3 - 2 ) 计算： q 1 = k f a t , 一。 式中t 计算时刻，h ： e 围护结构表面受到周期为2 4 h 谐性温度波作用， 内表面的延迟，h ； ( 3 2 ) 温度波传到 鞭士跑文 公交窆调客车室内气流爨织改避竣钥及数毽搂熬 t e 温度波的作用时间，及温度波作用于雒护结构外袭c ( i 的时间，h k 圈护结构传热系数，w m 2 。k ： 卜鬃妒结穆诗算藩织，m 2 ； 毛一。作用时刻下，围护结构的冷负荷计算漱差，简称负荷温差 根据表 2 3 】 1 】得各计算时刻的负荷漏差f ：一。见夜3 - 3 。 腊葬时刻t 81 01 2 1 4 1 61 82 0 a t e , 1 51 82 02 01 81 61 3 车藩毯护臻擒颂交传热彤威的冷受蘅诗算僮觅表3 - 6 。 2 、车体稳态传热所形成的冷负荷 车门、门窗框、车底及车体前后围未含保温材料部分进入车室内的那部分得 热量可 乍为稳态传热进行计簸。其冷负祷按式( 3 - 3 ) 进季亍计算： q = k f ( t w e - t ) ( 3 3 ) 式中f 。夏季空调室外计算日平均温度，。南京地区t w p = 3 1 4 车底冷负荷 q = k f ( 锄- t ) 2 0 1 6 3 2 1 6 ( 3 1 4 2 6 ) 2 1 9 。0 1 ( w ) 车体门窗框形成冷负荷 q = 灯( f 一f ) = 1 3 9 5 6 1 5 ( 3 1 4 - 2 6 ) 2 1 1 3 0 4 ( w ) 车体静压困护结构形成冷负荷 q = 静( ”一) 2 6 9 7 8 x 2 8 8 x ( 3 1 4 - 2 6 ) 2 1 0 8 ，5 2 如) 3 、玻璃窗瞬蛮传热所形成的冷负荷 玻嫡甯瞬变传热所形成的冷负荷按戏( 3 - 4 ) 计算 q = k f a t ， ( 3 4 ) 根据表【2 4 】 i l 得各计算时刻的负荷温差厶f f 值。觅襄3 - 6 | 谤。冀对刻， 8l o1 21 41 61 82 0 t 。3 35 o6 57 57 97 36 1 玻璃窗瞬变传热所形成的冷负荷计算值见表3 - 6 。 4 、透过玻璃懿疆麓褥热引起鹣冷受萄 透过玻璃窗日射褥热引起的冷负葡缓式( 3 5 ) 避行计算 q = j 。- x | ，x t x ：f ( 3 - 5 ) 式中五，计算时刻，遴过有内遮阳外窗的负荷强度，w m 2 譬。寮户酶稳遥髂歪系数 公交空调客车室内气漉缀织改遥致诗及数篮模拟 z 。地点修正系数 鼻，内遮阳系数 f 塞 声表嚣耪，融2 根据表 2 8 】 1 】根据得各计算时刻的负荷强度 ，德，见表3 - 5 。 透过有内遮阳外窗的太阳总辐射负荷强度表3 5 悖 算澍刻t 8i 01 21 41 61 82 0 以， 3 6 2 03 0 0 0 1 3 1 ol l o o8 0 o4 1 02 2 o 车体玻璃窗处理：单层6 m m 厚吸热玻璃，考虑内遮阳系数，由于公交车窗玻 璃内涂浅蓝色涂料，羧内遮鞠糖辩缀想为浅蓝色。投攘袭【2 6 】 1 3 2 7 “、【2 8 褥到窗户的构造修正系数x g = o 8 3 、内遮阳系数五= 0 5 5 及豫点修正系数 局= 1 0 2 。透过玻璃窗日射得热引起的冷负荷计算值见表3 6 。 对车体备豳护结构各项逐对冷负荷绫计列表如下： 车体各蠢护结梅遴辩冷受芬( w ) 表3 - 6 计算时刻t 81 01 21 41 6l82 0 车顶冷负荷 1 1 3 0 + 4 41 3 5 65 21 5 0 7 2 51 5 0 7 ，2 51 3 5 6 5 21 2 舾8 09 7 9 7 1 涤体南丽护结榆冷负荷 1 3 3 9 81 7 & 6 41 7 8 6 42 9 72 0 0 9 71 7 86 41 5 6 。3 l 车体北围护结构冷负荷 1 5 07 2 1 7 58 52 0 0 9 7 2 0 0 9 7 2 0 0 9 72 0 0 9 7 1 7 5 8 5 瓣窑( 笨) 瞬变镥热冷负蔚 7 0 + 9 3i 0 7 。4 7 1 3 9 7 l1 6 1 1 转s o1 5 6 9 l1 3 1 l 黼窗( 东) 日射得热冷负荷 5 6 63 64 6 9 3 62 0 4 9 51 7 21 01 2 5 1 66 4i 53 4 4 2 后窗( 西) 瞬变传热冷负荷 4 8 1 37 2 9 39 4 8 01 0 9 3 91 1 52 21 0 6 4 78 8 9 7 麓露( 疆) 霹瓣褥热冷受蔻 5 2 ，0 27 7 5 08 9 1 82 7 3 9 0髓2 3 62 7 4 ，9 65 9 4 5 侧窗( 南) 瞬变传热冷负荷 1 7 5 2 l2 6 54 83 4 5 1 23 9 8 、2 14 1 9 4 53 8 75 93 2 38 8 侧窗( 赢) 日射得热冷负荷 1 6 6 73 5 8 4 34 9 5 ，9 , 74 2 5 。1 22 6 67 41 2 08 7 5 8 ，3 5 侧窗( 北) 瞬交馋热冷受赫 1 9 8 。4 33 0 0 6 63 9 0 8 64 5 0 9 94 7 5 0 44 3 8 ：9 63 6 68 0 侧窗( 北) 日射得热冷负荷 2 3 19 83 2 75 03 8 2 0 83 5 9 3 42 8 6 5 63 0 47 56 82 3 ：錾庆冷负荷 i ，o l 车体门窗框冷负荷 30 4 车体前后围护结构冷负荷 1 0 8 5 2 慧诗 3 0 1 5 + 4 43 鲇0 8 94 2 7 0 ，0 94 5 0 0 0 04 2 5 9 3 73 6 s o 6 4 2 6 9 3 6 5 j - 1 4n 公变字调释葺三室内气流纽织改进改计及数值模拟 5 、室外空气冷负荷 室步 空气进入车室内主要有两摹孛寒源，印赫风萋稠渣漏风爨。蓊风量一般接 1 0 5 0 帮h 。入标准确定：渣漏风鬃是螽| 门缝不j 溅丽滏避车室内，据文献 4 介 绍，当车速4 0 k m h ，缝隙宽1 5 m m 时，漏风量为l o m 3 h m ；当缝隙宽达3 m m 时， 漏风量加大到1 7 m 3 h m 。 援上述嚣麓礁定戆漏风爨，取大 薹。 本文在对公交空调车室内环境进行设计时，已经考虑适当正压，故此处不在 考虑 j j f 露风量，只考虑新风量。 葵摩辨空气冷负赫梭式( 3 - 6 ) 送行计算 q f g ( i * 一i 自) 3 - 6 ) g 一进入车室的车外空气质凝流量，k g s i9 一车外空气烩僮，j k g ； i 一车室内空气络篷，j k g ： 根据濑空气焓湿图 图l 一2 1 i 得寰内外空气焓使分别为： 室外獭气状态：温度3 1 4 、湿度7 3 、i * = 8 0 k j k g 室连蹙气状态：设谤滢度2 6 c 、漫度5 5 、la = 6 0 k j k g 车肉入员数4 0 ，由于公交空调车人员流动性大，且人员密集度高，车门开启 频率高，综合考虑各因索，这里人均新风量按2 5 m 3 h 计算。 所以总新风量为： 6 = 4 0 2 5 = t 0 0 0 a ，h = o 3 4 k g s 新风额荷为： q s 。g ( i ， 一i 自) = o 3 4 x ( 8 0 6 0 ) - - 6 8 ( k w ) 6 、车室肉驾驶入员及黎窖鼗发静熟爨弓| 起熬冷受薅 人体敞热、散湿与性别、年龄、农着、劳动强度及环境条件等因素有关。为 了实际计算方便，可按成人男子为赫础，乘以考虑了各类人员组成比例的系数， 称群集系数。其冷负襁计算式为： q # = q + 1 1 6 n n ( 3 7 ) 式中q 一司机人体散热量，一般取1 7 0 1 7 5 w n 乘客人数，人； 8 蓑囊系数，取g ，8 9 。 q f 舀+ 1 1 6 n ”= 1 7 5 + i 1 6 x 4 0 x 0 8 9 = 4 3 0 4 6 0 ( w ) 7 、车室内仪器、设备、照明等用电敞热以及发动机运转散热造成的冷负荷 由于公交空调车内仪器、设备及照明用电散热所形成的冷受旖只占空调冷负 萄狠小一部分，秀热上在这方面缺少有效豹经验数据可循，敬魏娃对其艨形成的 硕士论文公交空调客j ：室内气流组织改进设计及数值模拟 冷负荷不予计算。小过本文将在最后空调冷负荷计算时做适当考虑。当然，在公 交空调车中，发动机运转散热也会增加空调冷负荷，同样在此不给予计算，只是 在空调冷负荷汇总时予以考虑。 公交空调客车室内逐时总冷负荷值见表3 7