（光学工程专业论文）空调轿车车室内气流组织的数值模拟.pdf

摘要 本文以空调轿车车室内的空气为研究对象，详细分析了车室内的空气流动与传 热，以计算流体动力学( c f d ) 为基础，采用r n g k s 双方程模型和壁面函数法，对空 调轿车进行了合理的简化，考虑到太阳辐射，人体热边界等，建立了空调轿车车室 内的三维紊流模型，得到了空调车室内温度场、速度场的控制方程。 就不同的送风速度、送风温度、送风角度以及送风口位置等，对车室内气流组 织进行了定性、定量的比较分析。以f l u e n t 作为数值模拟平台，得到了速度场以及 温度场的数值解，并对四种典型情况下的速度场和温度场进行了分析。用t e c p l o t 软件将计算结果可视化，得到各特征断面温度场和流场的分布图。求得工作区域的 速度不均匀系数、温度不均匀系数以及空气分布特性指标，为车室内气流组织分布 的优化设计提供依据。 结果认为：送风速度增大时，车室内的温度普遍下降，流速增加：送风温度升 高时，车室内流速的线型基本不变，温度普遍升高；送风倾角的变化对车室内空气 的流动形式有较大的影响：送风口的位置改变对车室后部的温度场影响不大。送风 速度过高或过低，各计算截面的a d p i 指标都会偏低，送风速度增大时，各计算截面 的速度、温度不均匀系数有所降低，但是幅度不大，所以没必要大幅度增加送风速 度来追求较低的不均匀系数。送风温度的改变对于这i i i 平面和平两个平面的温度 不均匀系数基本上没有什么影响。不同的送风角度对于i v 平面的温度不均匀系数也 影响不大。当车室内冷负荷减小时降低送风速度，或者稍微升高送风温度，不仅可 以获得与全负荷下相类似的空调效果，还能有助于节省能源。 最后，提出了对进一步工作的展望。 硕士研究生杨娟( 车辆工程) 指导教师杨启容副教授 关键词：轿车；紊流模型；气流组织；舒适性评价 a b s t r a c t t h et h e s i si sb a s e do nc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，a n dat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fa i r c o n d i t i o n i n gc a ri ss e tu pw i t has i m p l i f i e dv e h i c l ec o m p a r t m e n t a n dr n gk sd o u b l e e q u a t i o nt u r b u l e n ts t r e a mm o d e l t h ec o r r e s p o n d i n gb o u n d a r y c o n d i t i o n so ft h i si s s u ea r ea l s oe s t a b l i s h e d i nt h i sw a y ，ac o m p l e t em a t h e m a t i c a l d e s c r i p t i o na n dc o n t r o l l i n ge q u a t i o n so fi n t e m a lt e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yf i e l do f a i r - c o n d i t i o n i n gc a ri sa v a i l a b l e t h ea i rc u r r e n td i s t r i b u t i o ni na i r c o n d i t i o n i n gv e h i c l ei sc o m p a r e da n da n a l y z e d q u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i f i c a t i o n a l l y a b o u td i f f e r e n ta i rs u p p l y p a r a m e t e r s ，s u c h a s t e m p e r a t u r e ，v e l o c i t y ，d i s t r i b u t i o na n g l ea n da i rv e n tp o s i t i o n w i t hc o m m e r c i a ls o f t w a r e f l u e n ta st h e o p e r a t i o n a lp l a t f o r m ，t h eo u t c o m e so ft h ev e l o c i t yf i e l d a sw e l la s t e m p e r a t u r ef i e l da r eo b t a i n e d t h en u m e r i c a lr e s u l t s b e c o m ev i s i b l ea n dv i v i dw i t h s o f t w a r et e c p l o t a n dt h ed a t ai s p r o c e s s e dt og e tt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f u n u n i f o r m i t y ，v e l o c i t yc o e f f i c i e n tu m m i f o m f i t ya n da i rd i f f u s i o np e r f o r m a n c ei n d e x t h u st h eb a s i so f t h eo p t i m i z a t i o nc a nb ep r o v i d e d f r o mt h er e s u l t ，w ec a nc o n c l u d e ：w h e nt h ea i rs u p p l yv e l o c i t yi n c r e a s e s ，t h e t e m p e r a t u r ew i l lg e n e r a l l yd r o p s ；w h e nt h ea i rs u p p l yt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，t h es p e e do f f l o wi sb a s i c a l l yi n v a r i a b l ea n dt h et e m p e r a t u r eg e n e r a l l ye l e v a t e s ；t h ec h a n g eo fs u p p l y a n g l ed o n th a v et r e m e n d o u si n f l u e n c eo nt h ef l o w ；a n dt h ea i rv e n tp o s i t i o n sh a v en ob i g i n f l u e n c eo nt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h er e a rc o m p a r t m e n t i ft h ea i rs u p p l yv e l o c i t yi s t o oh i g ho rl o w ，t h ea d p it a r g e to fe a c hc o m p u t a t i o ns e c t i o nw i l lb es o m e w h a tl o w w h e nt h es u p p l ys p e e di n c r e a s e s ，t h es p e e da n dt e m p e r a t u r en o n u n i f o m a i t yc o e f f i c i e n to f e a c hc o m p u t a t i o ns e c t i o nw i l lr e d u c e s ，b u tt h es c o p eo fr e d u c t i o ni sn o tb i g t h e r e f o r ei t i sn o tn e c e s s a r yt oi n c r e a s eb l a s t s p e e db yl e a p sa n db o u n d s t o p u r s u e l o w e r n o n u n i f o r m i t yc o e f f i c i e n t t h ec h a n g eo ft h eb l a s tt e m p e r a t u r eb a s i c a l l yh a s n oi n f l u e n c e o nt h et e m p e r a t u r en o n t m i f o r m i t yc o e f f i c i e n t so f a n di vp l a n e d i f f e r e n ts u p p l ya n g l e s a l s oa f f e c tt h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to fi vp l a n es l i g h t l y y g h e nt h ec o l ds h o u l d e rr e d u c e ， i ti sw i s et or e d u c et h es u p p l ys p e e do re l e v a t et h es u p p l yt e m p e r a t u r e i tn o to n l ym a y o b t a i nt h es i m i l a ra i rc o n d i t i o n i n ge f f e c tw i t ht h ec a p a c i t yl o a d ，b u ta l s oc a nb eh e l p f u lt o s a v et h ee n e r g y a tl a s tt h ef u t u r er e s e a r c ho nt h i ss u b j e c ti sb r o u g h tf o r w a r d g r a d u a t es t u d e n t ：j u a ny a n g ( v e h i c l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o lq i r o n gy a n g k e yw o r d s ：c a r ；t u r b u l e n c em o d e l ；a i rd i f f u s i o n ；c o m f o r ta s s e s s m e n t 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究背景和意义 我国幅员辽阔，各地气温变化极大。汽车机动性强，从严寒地区到酷暑地区， 从高速行驶到低速行驶，汽车所处的环境变化很大。汽车空调系统就是对汽车车室 内空气的质量和数量进行调节，达到热舒适的标准，也就是使汽车能适应环境的变 化，把车内有限空间的空气环境调节到最适合司机、乘员的生活和工作状态。冬季 使用暖风装置，可使车室内空气温度适中，司机不必穿着笨重的衣物，也不会因手 脚过冷而影响驾驶，同时还能预防和去除风窗玻璃上的雾、霜或冰雪，使司机有良 好的视野；夏季气温较高，司机长时间行车容易疲劳、困倦，使用冷风装置可使车 内温度、湿度适宜，改善司机的工作条件，保障行车安全。 随着汽车工业的迅速发展，对空调车室内人体热舒适性的研究日益得到重视。 空调车室内空气流动与传热研究是车室内气流组织设计及舒适环境评价的基础。气 流速度和温度在室内空间具有场的性质，亦即在不同时刻不同位置它们的值不同， 所以在车室内存在不同位置舒适度不同的问题。气流组织是指确定合适的送风口、 排( 回) 风口的形式、位置、规格、数量和送风、排( 回) 风风量、风速、温度等 参数，以实现比较理想的气流分布，保证通风空调车厢内任意位置或指定区域的空 气参数满足卫生、舒适或其他特殊要求的方法或措施。不同的气流组织方法会形成 不同的气流模型，产生不同的温度、相对湿度、气流速度、洁净度或有害物浓度等 空气参数的分布效果，直接影响通风空调系统的技术性能和经济性能。在车厢内可 以有多种气流组织形式，不适当的气流组织方案会使车室内气流短路，不仅浪费能 源，增加投资，而且达不到预期的空调效果。对于轿车用空调，研究如何形成合理 的气流组织，满足车内人员的舒适性要求，避免气流短路现象，以达到良好的空调 效果并满足节省能耗的要求，具有十分重要的理论意义和实际价值。 1 1 1 乘员或司机的舒适感与气流组织的关系 空气是人们生活的必需条件，人的舒适感主要取决于影响人体热平衡的空气环 境。从生理学可知，人具有热调节的特殊功能。当环境温度下降时，人的血管收缩， 血流量减少；当环境温度升高时，换热的效率有赖于皮肤温度的提高和蒸发潜热的 增加。但人的热调节能力是有限的，只能在温度和相对湿度的一个很小变化范围内 调节。通过这种自动调节以保证舒适状态。而在温度和相对湿度超出这个范围时就 会产生不舒服的感觉。如果环境温度低于人体温度，人体的热量消耗将会随着空气 流动性的增加而增加。要保持舒适条件可提高空气的相对湿度以减少蒸发量，或提 高空气的温度以减少散热和对流的热量。 青岛大学硕士学位论文 在空调轿车车厢内，经过处理的空气由送风口进入车厢，与车厢内的空气进行 热交换后经排风口排出。空气的进入或排出，必然引起车厢内空气的流动。如果空 调风窗固定，出风直吹身体的某个部位，会造成司机或乘员这一部位不适，如直吹 面部会引起头痛、头晕，直吹腹部会引起腹部疼痛，直吹腿部会引起关节疼痛等。 如果由于座椅等障碍或者气流组织不合理等原因，车室内空气流动形成死区或 呆滞区，会导致车室内温度过高。当环境温度高于人体表面温度，热量就会在人体 内蓄存起来，导致体温上升。当体温升高到4 0 0 c 时，出汗停止，若不采取措施，则 体温将迅速上升，当上升到4 3 5o c 时，人会死亡。 另外，由于车内空间小，乘员密度大，车内极易出现缺氧和二氧化碳浓度过高 的情况；汽车发动机废气中的一氧化碳和道路上的粉尘都容易进入车室内，造成车 内空气混浊。车室内空气品质恶劣会导致许多问题，长期呆在车室内的人员会出现 以下症状： ( 1 ) 眼睛、鼻子和喉咙的过敏反应，包括干燥、疼痛和嗓音沙哑； ( 2 ) 皮肤过敏，包括脸发热，疼痛或腐蚀感及皮肤干燥； ( 3 ) 精神异常，如头痛、恶心、乏力、嗜睡： ( 4 ) 无故的高度兴奋，比如流眼泪、鼻粘膜分泌物增多及类似哮喘的症状。 欧美以及日本等一些发达国家从7 0 年代后期开始，便对室内空气品质进行了大 量的研究，并制定了一些相关的标准，如a s h r a e 标准6 2 1 9 8 9 r 1 1 中，首次提出了 可接受的室内空气品质( a c c e p t a b l e i n d o o ra i r q u a l i t y ) 弄f 感受到的可接受的室内空气品 质( a c c e p t a b l ep e r c e i v e di n d o o ra i rq u a l i t y ) 。 如上所述，乘客或司机对车室内空气不满意的问题主要集中在过冷、过热或空 气品质太差。这与车室的气流组织和温度场有着密切关系，很多问题可以通过简单 地调节车室内温度就可解决。同样，因为车室内的气流组织不合理，导致车室内空 气流动形成死区或呆滞区，也会出现太热或气闷的问题，这些气流的死区或呆滞区 又会造成局部污染浓度的增加，而过冷问题的出现，可能与车室内的温度有关，也 有可能是因为司机或乘员所在处的气流速度太大，出现吹风感从而感到过冷。因此， 空调汽车除了要有合适的空气温度和相对湿度之外，还应该对空气温度与风速的均 匀程度，也就是对车厢里的温度场和速度场有一定的要求。车厢里的温度场、速度 场受车厢内气流流动状况和分布情况的影响很大，必须合理地组织车厢内空气的流 动，使车厢内空气的温度、湿度和流速符合人体工程学要求。 1 1 2 车室内气流组织数值模拟的意义 车室内气流组织也就是温度场和速度场对人体热舒适性的影响是显而易见的， 如果设计人员不了解车室内速度场和温度场的分布情况，为了达到要求的温度而保 第一章引言 守计算负荷是空调设计过程中浪费能源的主要原因之一。在传统的气流组织设计中， 设计人员对送风口、回风口以及车室内热源等各因素，往往只凭个人对物理现象的 理解，依据经验进行单纯的合成，难以预料不同通风方式下的气流组织情况，因而 导致车室内气流分布不合理的现象大量存在。 空调工程师希望在设计阶段就能预测车室内温度场和速度场的分布情况，不仅 可以制定出最佳的通风空调方案，同时也可以避免不必要的能源浪费。 车室内空气流动受到诸多因素的影响，揭示其气流分布规律比较困难。传统的 做法是通过模型实验研究，得出经验或半经验公式，然后在这些公式的基础上进行 气流组织的计算。由于模型实验研究不仅耗费人力、物力，而且受实验条件限制， 有时候难以模拟出复杂的空间流动的全部特征。同时，在模型实验研究过程中所使 用实验设备的灵敏性以及实验环境参数的变化都可能影响到实验结果的精确性。这 使得通过实验数据获得的经验公式或半经验公式缺乏通用性，只适用于某一具体实 验研究条件下。所以模型实验研究使用范围窄，在更广泛的变化条件内预测的准确 性较差。 随着计算机技术的发展，利用计算机求解满足各种守恒控制偏微分方程组的流 体流动的计算流体力学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 ) 技术得到了很大的发展。 c f d 方法是目前国际上一个强有力的研究领域，是进行“三传”( 传热、传质、动量传 递1 及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于热能动力、航天、 机械、土木水利、环境化工、暖通空调及空气洁净等诸多工程领域，它具有成本低、 速度快且可模拟各种不同的工况等特点。利用c f d 方法可以对室内空气流动的速度 场、温度场、湿度场以及有害物浓度场等进行模拟和预测，所以不仅可以预测空调 系统整体性能，而且还可以进行多次“虚拟产品开发”( v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t ) ， 大大减少实际试验次数，降低试验成本，缩短试验周期。 1 2 汽车空调热舒适。洼的评价 关于空气流动与热舒适性影响的研究始于上世纪2 0 年代，起因是人们对空调系 统引起的吹冷风感的抱怨。上世纪5 0 年代末热舒适性研究进入一个新的高潮。直到 现在，美国、英国、日本、丹麦、澳大利亚和中国香港等地区己有许多学者进行了 大量的实验研究。这些学者利用不同的气流形式，在不同的热环境、服装热阻和运 动水平下就空气流动的平均速度对人体热感觉的影响进行了深入研究。从研究空气 平均速度对热舒适性的影响到研究气流脉动强度、气流脉动频率对人体热感觉的影 响，对吹风感的研究多基于实验研究。这给计算流体力学c f d ( c o m p u t e df l u i d d y n a m i c s ) 的理论研究积累了大量的数据。基于这些数据，c f d 学者们可以对不同的 通风系统中的气流平均速度、脉动强度及脉动频率特性进行模拟，建立相应的数据 青岛人学硕士学位论文 库，再通过与实验结果的对比，提出可以有效评价吹风感的参数及其数学模型，从 而实现对系统可能产生的吹风感的预测。6 0 年代，丹麦学者p o f a n g e r 教授等提出 了热舒适的p m v - p p d 指标体系，该指标综合考虑了人体活动程度、衣服热阻、空 气温度、平均辐射温度、空气流动速度和空气湿度等六个因素，以满足人体热平衡 方程为条件，通过主观感觉试验确定出的绝大多数人的冷热感觉等级。 在美国供暖制冷空调工程师学会标准( a s h r a es t a n d a r d5 5 1 9 9 2 ) 中，热舒适有 明确的定义：热舒适是指对热环境表示满意的意识状态。因此，基于人体热舒适性的 汽车空调性能评价主要有以下几个指标： ( 1 ) 车内温度：我国夏季的气候普遍炎热，工作和生活环境使用降温设备也不 是很普遍，人们对高温的适应性相对较强。我国汽车空调车室内空气温度的计算参 数夏季为2 4 2 8 。c ，日本和美国分别为1 9 2 3o c ，2 l 2 2 0 c 。冬季为1 6 1 8o c ， 日本和美国相应为1 6 2 0 。c ，1 9 2 0 0 c 。 ( 2 ) 车内的温度分布：人的感觉舒适与否，还与所处环境的温度分布有关。国 外有人把实验车置于恒温室内，控制车内的湿度和气流速度，仅让气温发生变化， 使众多年龄、性别、身穿普通衣服的受试者对相应的车内气温环境按规定的评价指 标记录自己的温感。结果发现，在温感中性点( 平均体表温度为3 3 。c 左右时，认为 是人的温感中性区) 暖和的一侧，人体各部分的温感接近相同，而在中性点凉的一侧， 人体各部位的温感差就较大。所以，冬季车内的温度分布应使大腿和脚迅速暖和起 来，即形成人们所习惯的“头凉脚热”的温度分布较为适宜。同样，夏季头部的温度 也应比脚部低一些，所谓的“凉风拂面”使人感到舒适就是这个道理。 ( 3 ) 相对湿度；车内空气的相对湿度也是影响人体舒适的重要因素。夏季，当 人体周围的相对湿度较大时，将影响人的蒸发散热，使人感到闷热。相对湿度对人 体产生影响而使人感到不舒适的极限值大约是7 0 。考虑到像人体和周围空气温度 的关系一样，和车内的相对湿度的关系也有它的统性等因素，车内的相对湿度最 大值不应该超过7 0 ，一般应在3 5 7 0 的范围内( 温度高时取上限) 。 ( 4 ) 空气流速：车内的空气流速同样影响人体的散热。空气流速的增大可以加 速人体表面的对流散热，尤其在人体周围空气的温度和相对湿度都较高的情况下， 增大空气的流速会促进人体表面汗液的蒸发，从而增加散热效果，给乘客一个舒适 的感觉。但流速过大则引起吹风感，造成人体皮肤温度状况失调，产生不舒适的感 觉。冬季( 车内的温度为2 2 。c 时) 希望空气流速不大于o 1 5 r r d s ，夏季( 车内的温度为 2 6 。c 时) 不大于0 5 m s 。 随着汽车工业的发展，各大汽车公司开始对空调车室内环境舒适性进行研究， 在s a e 论文集中有若干篇关于空调车室内热舒适性研究的文章发表。文章大都以实 验为基础，采用暖体假人居多，舒适性评价标准仍采用p m v 方法或作了一定的改 第一章引言 进，但基本上仍是基于稳态的分析方法。瑞典国家建筑研究所的w y o n ，d a v i dp 【2 l 使用恒温的人体模型来模拟人体的热损失，可以快速准确地测定车内微环境对各部 分的热损失的影响。注意到车室内条件的非稳态与分布参数特性，h a g i n o 3 1 提出了 评价轿车内风速舒适性的新方法；m a t s u e i 4 i + k j 用人工神经网络原理提出了空调车室 内人体舒适度的神经网络计算法和人体舒适度变化预测器，并以此作为汽车空调舒 适型控制的控制参数，探讨了汽车空调舒适性的控制；t o s h i k a z u 5 】则开发出了能量 概率神经网络舒适性控制器。h i s a s h i l 6 1 用y o u s u k e 的研究结果进行汽车空调系统控 制；i n g e r s o l l 【_ 7 】【8 】认为空调车室内人体舒适度受空气温度、平均辐射温度、空气速度、 空气相对湿度、太阳辐射强度和人体着衣量等参数的影响，：并对车室内人体舒适度 进行了计算。樊江勤、曹锡华【9 】在研究中引入模糊数学理论，提出了载货汽车空调 系统热舒适性评价体系，可定量地给出汽车空调环境的p m v 值。k a t a o k a 1 0 】建立网 格用以描述车室内的流场和温度场分布，用数值方法评价车内的热舒适性，提出了 能在较短时间内预测乘客的热舒适度的体系。l o d i ，c a1 1 1 也提出了评定乘客热舒适 度的方法，通过测得乘客的热边界条件( 如体表温度、呼吸频率、皮肤湿度) ，可估 算出不同环境和主观条件下的热舒适度。 1 _ 3 国内外空调车室内气流组织研究现状 为了使车内空气的温度、湿度、流速等符合人体的舒适性要求，必须合理地组 织车内的空气流动，通常把对车内的气流流动和分布的控制称为气流组织。为了更 好地满足汽车舒适性和居住性的要求，有必要对车内气流组织进行数值模拟和试验。 国外一些著名的公司查n ：c h r y s l e r ，g m ，f o r d ，n i s s a n 等公司己经开展了这方面的研究 工作。 1 3 1 空调车室内气流组织的数值模拟 为了提高车室内人们的热舒适感，空调工程师需要了解和研究空调车室内气流 组织情况，目前主要有三种方法：射流理论分析，模型试验以及数值模拟。 传统的射流分析方法基于某些标准或理想条件所提出或实验得到射流公式，会 带来较大的误差；模型实验虽然可详细解析空调室内三维气流，但需要较长的实验 周期和昂贵的实验费用，难于在工程设计中广泛采用。而现在节能和舒适己成为空 调领域首要发展的基本课题，保护环境、削减能源耗费是空调设计的发展方向，这 就要求设计者改变传统的设计观念和方法，学习和运用高新技术设计手段，其中主 要指数值模拟技术。 汽车空调系统的运行特点跟汽车的具体特性有很大关系，车型、结构、动力性 能等参数的不同均会导致汽车空调系统的配置和性能有较大的区别。由于计算机技 术的发展和普及，以及用于流体分析的数值计算技术日益发展，使计算流体力学和 青岛大学硕士学位论文 计算传热学在实际的设计和分析中得到初步应用，部分费用大的实验将由迅速而经 济的数值模拟所取代。数值模拟可以预测速度场、温度场的分布情况，筛选空调车 室内各种可能的气流组织设计方案，为合理的系统设计及设备选型提供有益的参考 资料。有限的实验和大量数值模拟协调应用，可以缩短设计周期，节省人力、物力 与财力，又可以实行优化控制，获得满意的空调效果，提高开发新产品的经济效率， 现已成为解决问题行之有效的方法。 1 3 1 1c f d 技术的发展 近年来，各种数值模拟技术得到了广泛应用。日本在此技术的研究起步较早， 七十年代初，c f d 技术被用于数值解析室内气流分布。当时，所采用的数学模型较 为简单，主要是二维层流等温稳态n a v i e r - s t o k e s 方程。我国也于七十年代末开始从 事此方向研究，八十年代完成了从二维到三维，层流到湍流，从稳态到动态的研究。 模型方程的应用较为广泛，包括标准k s 模型、改良k s 模型、低r e 模型、代数 应力方程模型、大涡模型等等；另一方面是应用的日趋成熟，如：解析的对象更全 面细化，从气流分布到热舒适、空气品质，涉及换气、热辐射，i a q ( i n d o o ra i rq u a l i t y l 、 自然对流、强制对流、大气扩散、风载、风环境、燃烧等各个方面；应用软件更加 多样化，在日本c f d 技术已经进入实用阶段，在我国，也取得了一些实际工程应用 的宝贵经验。 1 3 1 2 模型方程的应用 研究者对空调房间内空气流场进行数值计算的时候，采用了不同的紊流模型。 r o s e 【1 2 噪用k 一占紊流模型计算了二维空调房间内冷空气流场分布，对一定送风温度 下的最佳送风温度作了讨论；m u r a k a m i 【l 驯利用有限差分法对复杂几何形状房间内外 的空气流场进行了数值计算，也是采用的k s 紊流模型；y a m a z a k i 1 4 j 等着l l a w b e i 【1 5 j 分别对空调房间内空气紊流流场应用k s 紊流模型进行了二维、三维数值计算， a w b e i 1 5 】还讨论了壁面间的辐射换热对流场的影响，并利用f m l g e r 舒适性计算公式对 空气流场进行了分析。d a m i n 1 6 】将流体流动的n a v i e r - s t o k e s 方程转化为流函数一涡度 方程，并采用单方程紊流模型分别计算了二维层流、紊流流动问题。陈斌【1 7 j 、王宜 义【哺 分别利用了s i m p l e 算法，对空调房间内空气的三维紊流流动速度进行了数值 计算，并进行了模型实验。陈在康【l9 】综述了国内气体流动数值计算在通风空调工程 中应用的研究现状和发展趋势，研究了数学模型和求解的妒一w 方法和p v 方法。 这些模型的建立，为空调汽车车室内的流场和温度场的数值计算起了一定的指 导作用。近年来，汽车空调车室流场和温度场计算与实验研究取得了较快的发展。 l e e 2 0 】 2 1 1 与c l 町s l e r 公司利用数值计算模拟了汽车挡风玻璃融霜过程，由于受车室内 6 第一章引言 温度分布的影响，同时对车室三维传热过程进行了计算。d e l f t 大学的k o o i 2 2 1 利用 p h o e n i c s 软件计算了车室流场，对送排风口进行计算，比较了速度和温度及废气集中 区域的分布情况，找出了最佳的舒适度及送风方案。y a m a m o t o 2 3 1 用数值方法计算了 卡车内空气流场，并利用简化的网格划分得到了车室内流场的大致分布及热舒适性 方程，应用热感觉程序预测了空调运行，与实验结果相吻合。c h a n 9 1 2 4 1 采用c f d 技 术对大型空调车室的送风位置进行了讨论。g m 公司h a n t ”j 对三维车室降温过程进行 了数值计算，并发展了车室流场及温度场计算通用软件v 1 n e 3 d 。l i n 对简化的g m - 1 0 空调车室流场进行了实际测量【2 ，并利用v i n e 3 d 软件研究了汽车空调特性参数对 乘员热舒适性的影响【2 7 】。孙学军m 】干0 用数值模拟研究了稳态三维轿车空调车室内的 流场和温度场分布规律。童灵【2 9 j 针对轿车空调车室内的温度场分布特性，在理论分 析并结合实验测量和数值模拟的基础上，提出简捷而较可靠的动态经验公式。 m u r a k a m i 3 0 】采用低r e 数k e p i s l o n 紊流模型贴体坐标模拟了人体以及人体周围的流场 和温度场。c u r r l e ，j o a c h i m j 利用c f d 对不同通风方式进行了比较，对h v a c 系统的 组成部分进行了优化。y o o n ，j o n g h w a i l l 3 2 j 利用十分之一大小的汽车模型，比较了五 种通风模式对车厢内速度场的影响，通过实验数据结果可以了解车厢内的气体流动 状况以提高乘客的热舒适性。吴俊云 3 3 】对客车空调车室内三维温度场和热流分布进 行了数值分析，为空车室内空气流场温度场及空调负荷的准确计算提供依据。陈江 平口4 】则通过对人体的热特性分析，建立了数字式暖体假人模型，为汽车空调热舒适 性研究提供了分析工具。h o h l e r 3 5 1 利用区域计算方法，分析了大型空调车室内的空 气温度分布，温度和相应的热流密度随时问的变化，并讨论了太阳辐射的影响。 h e i n s o h n 36 同样利用区域计算方法，计算了汽车室内污染物浓度和随新风进入的一 氧化碳浓度随时间变化的关系。 1 _ 3 1 3 应用软件的发展 在这些理论的基础上，出现了许多商业性的通用计算软件。自从1 9 8 1 年英国 c h a m 公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件p h o e n i c s 以来，迅速在国际 软件产业中形成了通称为c f d 软件产业市场。到今天，全世界至少已有5 0 余种这 样的流动与传热问题的商业软件，在促进c f d n h t 技术应用与工业实际中起了很 大的作用。目前应用较广的商业软件有c f x 、f i d a p 、f l u e n t 、p h o e n i c s 以及 s t a r c d 。 其中，f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对 各种复杂流动的物理现缘，f l u e n t 软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特 定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各 个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，f l u e n t 开发了适用于各个领域的流动 青岛大学硕士学位论文 模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现 象，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的网格生成技术及共同的图形 界面，这为f l u e n t 的通用化建立了基础，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背 景不同，因此大大方便了用户，省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等 方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索 上。 1 3 2 流体流场的测试与实验研究 流体流场的测试与实验研究一直是重要的研究课题，研究者发展了多种测试方 法。流场的测试分为接触式测量和非接触式测量。流体流场的速度分布测试是流体 流场实验研究的热点和难点。热线风速仪由于精度高、响应速度快等特点在流场测 试中得到广泛应用，但由于其测试方法繁琐，给复杂空间流场速度多测点测试带来 很大困难。激光多普勒测速仪是流场速度非接触测量的理想仪器，但此仪器对测量 环境要求严格，设备昂贵，应用亦受到限制。流体温度场的测试手段主要有热电偶、 红外热象仪、双镜激光干涉仪等，它们在流场温度测试中各有特点。在烟气可视化 的思路下，k o m o r i y a f 3 7 】对车室内进行了二维的动态数值模拟，并进行了实验验证。 在试验过程中，通过对轿车模型进行连续的摄影而得到了其流场发展及分布的图形。 在n i s s a nm o t o r 和k y o j ik a m e m o t o 、y o k o h a m a 国立大学的合作下【3 ”，曾进行了激 光法实测整体车室流场的实验。m a r t i n h o ，n a g 3 9 1 建立了简化的车体模型，引入了 暖体假人，通过热风速仪探针测得暖体假人不同部位的物理参数，f r a u n h o f e ri n s i t u t f u rb a u p h y s i ki b p l 4 0 提出了评价热舒适性的方法m a r c o ，并将其应用于b e h r g m b ha n dc o 公司的车用空调上，该方法用2 1 个传感器代替人体不同部位，用以测 定各部位的热舒适度。 1 _ 3 _ 3 现有研究存在的问题 综合对汽车空调气流组织领域研究的发展状况发现存在以下问题：有的在进行 理论计算时，直接选用k 一标准方程【4 “，但它只是在高r e 数情况下的应用较为成 熟，在空调轿车车室内，某些区域内的气体流动更接近低r e 数紊流流动，使得空调 车室内的数值计算的结果存在较大的误差，并且没有考虑到人体的热边界条件。有 的建立的空调车室热边界条件不完善，没有把空调汽车的车厢体传热与车室内的速 度场、温度场的数值计算耦合起来，计算车室内空气的温度场时，把车厢体内表面 的温度值统一定为某一个或某几个特定的值。有的1 4 2 】各壁面边界传热系数的取值借 鉴前人的实验数据，不能满足具体情况的要求。 第一章引言 1 4 本论文研究的主要内容与方法 本文以空调轿车为研究对象，应用计算机数值模拟方法，对空调轿车车室内流 场、温度场以及舒适性指标进行了研究。 本文的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 本文以流体紊流粘性理论为基础，应用r n g k 一紊流模型，用壁面函数 法处理壁面条件，对车室内流场、温度场建立了数学模型，模拟了车室内空气流场、 温度场，得到了车室内空气流动和温度分布情况。 ( 2 ) 为尽可能的反映物理模型的真实性，在建立数学模型时，考虑了各种热负 荷对车内流场的影响，并且考虑了人体的热边界条件。 ( 3 ) 利用p r o e 软件构造一种通用的轿车物理模型，对研究区域进行了适当简 化，考虑了座椅等固体区域对车室内空气流动速度分布的影响。 ( 4 ) 采用f l u e n t 软件对空调轿车车室内进行数值模拟，研究分析不同送风 口位置和不同送风参数时空调轿车车室内空气流场的变化，对各种气流组织进行比 较，为优化设计提供参考。 ( 5 ) 本文数据处理用t e c p l o t 软件输出，以便得到速度不均匀系数、温度不均 匀系数和气流分布评价指标。 9 第二章三维紊流流动及数值计算方法 第二章三维紊流流动及数值计算方法 流体的流动有两种流态层流和紊流。层流内部的各流层间互不掺混，只存 在由自身粘性引起的流层间的滑动摩擦阻力，而在紊流内部则有大小不等的涡体动 荡于各流层间，除了粘性阻力外，还存在着由于流体质点掺混、互相碰撞所造成的 惯性阻力。层流流动可以用质量、动量、能量的偏微分方程组来精确的描述。而紊 流流动中，流体的各项物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机 的变化，但其统计平均值是有规律性的。 雷诺( r e y n o l d s ) 根据实验结果归纳了判别流态的准则雷诺数。流体的 r e y n o l d s 数反映了流体惯性力和粘性力的对比关系，是流态判别的依据。雷诺数提 高到某一临界值时，层流会失去稳定性，实现层流向紊流的转变。当层流受到某种 扰动后，若粘性的稳定作用起主导作用时，扰动就受到粘性的阻滞而衰减下来，层 流就是稳定的，而当扰动占上风，粘性的稳定作用无法使扰动衰减下来，于是流动 就变为紊流。因此，流动呈现何种流态，取决于扰动的惯性作用和粘性的稳定作用 相互作用的结果。 2 1 紊流流动概述 紊流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。紊流流体的各种物 理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。为了描述完全发 展了的紊流运动的物理过程，可以把紊流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的 流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向分布是随机的，并且涡旋形成后，经历着发 展和衰减的过程直到消失。大尺度的涡旋主要由流动的边界条件决定，其尺寸可以 与流场的大小相比拟，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是由粘性力所决 定，其尺寸可能只有流场尺度的干分之一的量级，是引起高频脉动的原因。涡旋不 断破裂为更小的涡旋，其尺寸可以在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡旋不 断地从主流获得能量，通过涡旋间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡旋传递，最 后由于流体粘性的作用，小尺度的涡旋不断消失，机械能就转化为流体的热能。同 时，由于边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了 紊流运动。 紊流的结构大体上有两类：一类是由壁面上无滑移条件造成的、且受到壁面直 接影响的剪切层，如壁面边界层、管道内的流动等，那里发生的湍流叫壁面紊流( w a l l t u r b u l e n c e ) ；另一类是不在壁面的直接影响下的剪切层，如射流、尾流等，那里发 生的紊流叫自由紊流( f r e et u r b u l e n c e ) 。这两类紊流可以统称为切变紊流( t u r b u l e n t s h e a rf l o w ) 。它们有着共同的特征，那就是起始时刻和触发的位置是随机的，但是 其运动一经触发，它们就以某种确定的次序、特定的运动形态发展。与切变紊流对 第二章三维紊流流动及数值计算方法 应的，还有一种均匀且各向同性的紊流，称为各向同性紊流( i s o t r o p i ct u r b u l e n c e ) ， 它的紊流特征在流场各点( 均匀) 和各个方向( 同性) 都是一样的。在这种紊流中没有平 均的速度梯度，也没有剪切应力【4 3 】。 紊流场一般是三维的、时变的、夹杂有高度振荡的流场。近百年来许多学者对 紊流问题进行了大量实验与理论研究，取得了丰硕的成果。一般认为紊流有以下几 种主要特性： ( 1 ) 紊流流动中所有参数都是随时间和空间而变化的随机量，但仍具有一定规 律的统计学特征； ( 2 ) 紊流流动中各参数的脉动值的变化是不规则的，但所有脉动值的时均值都 为零： ( 3 ) 紊流流动中在同一点的两个脉动参数可能互相关联，边界条件不同的紊流 具有不同的关联特性。 另外，一般认为，无论紊流运动多么复杂，非稳态n a v i e r - s t o k e s 方程( 简称n s 方程) 对紊流是适用的j ，可以利用n s 方程及其相应的定解条件，获得该条件下的 流体的瞬时运动。但是由于n s 方程是一组高阶的偏微分方程，只能求得一些可以 简化为线性方程及某些简单边界条件下的比较简单的解析解，一般的问题都要采用 数值模拟方法，借助计算机来获得数值解。 2 2 紊流的数值模拟方法 自1 8 8 3 年r e y n o l d s 通过著名的圆管流动状态试验发现紊流流动现象以来，关 于紊流发生的机理、紊流的结构及换热基本规律的研究一直是百余年来流体力学与 传热学研究家们所关注的课题。但由于湍流本身的复杂性，直到现在尚未形成成熟 的紊流理论，对紊流的物理本质还不很清楚。而另一方面，紊流流动又广泛存在于 各个领域，人们不得不对紊流进行模拟以满足实际的需要。 现代高速电子计算机的出现和发展，对紊流的研究起着巨大的推动作用。1 9 6 8 年，在美国s t a n f o r du n i v e r s i t y 2 # ：行了被誉为“紊流舆林匹克”的学术讨论会，各国科 学家提交了共计2 9 种计算方法。此后，关于紊流流动与换热的数值计算研究发展迅 速，己成为目前计算流体动力学与计算传热学中研究最为活跃的领域之一。根据所 采用的控制方程的不同，紊流数值计算方法可以分) b l a g r a n g e 方法和e u l a r 方法。大 多数的紊流数值计算所采用的控制方程都是以e u l a