（光学工程专业论文）基于热平衡模型的汽车乘员舱内温度场分析.pdf

一 t e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i so fa u t o m o b i l ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n t b a s e do nh e a tb a l a n c em o d e l b y w a n g d o n g l i a n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r l e c t u r e rc h e nt a o p r o f e s s o rc h e n g a i g u o s e n i o re n g i n e e rw e iy o n g m a y ，2 0 1 1 湖南大学 。 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：互赫友日期勿7 | 年乡月研日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：蜊痰 导师签名： 日期：国f 1年乡月z 矸日 日期：, 2 0 lf 年芗月2 乡日 司枷 专该用 、“孕阡 基于热平衡模型的汽车乘员舱内温度场分析 摘要 随着经济和社会的发展，汽车正逐步进入人们的家庭生活，乘坐和驾驶汽车 已经成为我们日常生活和工作的重要组成部分，用户对汽车乘员舱内热舒适性的 要求也越来越高。相应地，各大汽车企业也加大了在这方面研究的投入。由于采 用计算流体力学和计算传热学方法对乘员舱内温度场和气流组织情况进行数值仿 真研究可以快速而有效地预测乘员内的热环境，近年来，越来越多的学者对如何 采用数值方法预测汽车乘员舱内热舒适性进行了研究。但是由于汽车乘员舱内结 构十分复杂，如何准确模拟日照热辐射模型、计算车室内热负荷、引用人体热调 节模型等难题有待更好地解决。为了推进乘员舱内热舒适性的研究，本文重点针 对车室内热负荷的计算和乘员舱热平衡模型的建立进行尝试。 本文首先系统地介绍了乘员舱的热环境，从汽车乘员舱与外界环境的热交换 方式以及传热机理对乘员舱热负荷的计算进行理论分析。目前，在进行乘员舱内 热负荷计算时，为了简化计算，车身各部分均按多层均匀平壁传热考虑。这样的 简化处理存在一些问题。汽车车身壁面除门窗玻璃以外，一般由外板、隔热层、 内饰板组成。在这些固体层中，热量传递是靠导热。但是由于车身壁面中存在空 气层，即气隙。而在气隙内则同时存在着导热、辐射换热和对流换热现象。所以 只是简单地按多层均匀平壁传热来考虑，不够准确。本文将采用计算传热学对车 身传热过程进行仿真计算，建立数学模型，并且将气隙中的导热、辐射换热和对 流换热现象考虑进去，以求更加准确地求解乘员舱内的热负荷。 将计算得出的热负荷加载到由计算流体力学理论建立的乘员舱内流场仿真模 型中，进行迭代计算。这样就可以更加合理地求解出乘员舱内的温度场和气流组 织情况。最后，采用理论分析、采样统计分析等工具，对乘员舱内的速度场、压 力场、温度场等进行分析，对所分析车型的乘员舱内空调系统性能进行评价。结 果表明，建立车身壁面传热模型的计算结果较原来只是通过经验公式计算所得结 果更加准确、可靠。 关键词：温度场；计算流体力学；传热学；热平衡 l l 工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y , t h ea u t o m o b i l ei sg r a d u a l l y b e c o m i n gt h em o s tc o n v e n i e n ta n dc o m m o n m o d eo ft r a n s p o r t a t i o ni nd a i l yl i f e a s d r i v e r sa n do c c u p a n t s ，p e o p l es p e n dc o n s i d e r a b l ea m o u n to ft i m ep e rd a yi n a u t o m o b i l e s ，a n dt h e yd e s i r e t h et h e r m a le n v i r o n m e n t o fa u t o m o b i l ep a s s e n g e r c o m p a r t m e n tt ob em o r ec o m f o r t a b l e m e a n w h i l e ，t h ea u t o m o t i v ec o m p a n i e sd e v o t e m o r ef u n d sa n de n e r g yt o t h er e s e a r c ho no p t i m i z i n gp a s s e n g e rc o m f o r t o n e a p p r o a c ht oo p t i m i z et h i sp r o c e s si sb yu s i n gn u m e r i c a lm e t h o d s ，a sc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) a n dc o m p u t a t i o n a lh e a tt r a n s f e r ( c h t ) b yt h i sm e a n s ， t h e r m a le n v i r o n m e n to fp a s s e n g e rc o m p a r t m e n tc o u l db ep r e d i c t e dq u i c k l ya n d e f f i c i e n t l y r e c e n t l y , m o r ea n dm o r es c h o l a r sd e v o t et h e m s e l v e s t ot h ef i e l d h o w e v e r t h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m st ob es o l v e db e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r eo f p a s s e n g e rc o m p a r t m e n t ，s u c ha ss e t t i n gp r o p e rb o u n d a r y c o n d i t i o n sf o rs o l a rr a d i a t i o n ， e s t a b l i s h i n gh u m a nt h e r m o r e g u l a t i o nm o d e l ，c a l c u l a t i n gt h eh e a tl o a do f i n n e rc a b i n i no r d e rt op r o m p tt h es t u d y , t h i sp a p e rm a k e sa na t t e m p ta tc a l c u l a t i o no fh e a tl o a do f i n n e rc a b i na n de s t a b l i s h m e n to fh e a tb a l a n c em o d e lo fp a s s e n g e rc o m p a r t m e n t f i r s t l y , t h eh e a te n v i r o n m e n to fp a s s e n g e rc o m p a r t m e n th a s b e e ni n t r o d u c e d s y s t e m i c a l l y t h ec a l c u l a t i o no fh e a t l o a dh a sb e e na n a l y z e di nt h e o r yf r o mt w o a s p e c t sw h i c hi n e l u d et h em e t h o do f h e a te x c h a n g eb e t w e e np a s s e n g e rc o m p a r t m e n t a n de x t e r u a le n v i r o n m e n t ，a n dt h em e c h a n i c so fh e a tt r a n s f e r a tp r e s e n t ，t h eh e a t t r a n s f e rt h r o u g hw a l lo fc a l b o d yi sc o n s i d e r e da sc o n f o r m i n gm u l t i l a y e rf o rt h e p u r p o s eo fs i m p l i f i e dc a l c u l a t i o nd u r i n gt h ep r o g r e s so fc a l c u l a t i n gh e a tl o a d t h i s m e t h o do fs i m p l i f y i n gm o d e lr e s u l t si ns e v e r a lp r o b l e m sa l t h o u g h t h ew a l lo fc a r b o d ye x c e p tw i n d o w sa n dd o o r sc o n s i s t so fo u t s i d ep l a t e ，t h e r m a li n s u l a t i n gl a y e r , i n s i d ev e n e e r i nt h e s es o l i dl a y e r s ，t h e r m a l i st r a n s f e r r e di nt h ew a yo fh e a t c o n d u c t i o n h o w e v e r ，t h e r ei sa i rl a y e re x i s t i n gi n s i d et h ew a l lo fc a rb o d y n a m e l y , a i r s p a c e i n s i d e t h ea i r s p a c e ，h e a tc o n d u c t i o n ，r a d i a t i o nr e c u p e r a t i o na n dh e a t c o n v e c t i o na r ea l lp r e s e n t t h e r e f o r e ，i ti sn o te x a c te n o u g ht oc a l c u l a t et h eh e a tl o a d a sb e f o r e d u r i n gt h ep r o c e s so fc a l c u l a t i n gh e a tl o a di nt h i st h e s i s ，c o m p u t a t i o n a l h e a tt r a n s f e rh a sb e e ni n t r o d u c e dt oa n a l y z et h em e c h a n i c so fh e a tt r a n s f e r b e s i d e s ， t h eh e a tc o n d u c t i o n ，r a d i a t i o nr e c u p e r a t i o na n dh e a tc o n v e c t i o np r e s e n ti n s i d e t h e a i r s p a c ea r ea d d e dt ot h es i m u l a t i o nm o d e l s ot h a tt h eh e a tl o a do f i n n e rc a b i nc a nb e l 基于热甲衡模型的汽车乘员舱内温度场分析 c a l c u l a t e da c c u r a t e l y s e c o n d l y ，c f da n dc h ta r ei n t r o d u c e dt os i m u l a t et h ef l o wf i e l do fi n n e r p a s s e n g e rc o m p a r t m e n t a d dt h eh e a tl o a dc a l c u l a t e da b o v et ot h es i m u l a t i o nm o d e l ， a n dt h e nr u nt h ei t e r a t i v ec o m p u t a t i o n s ot h a t ，t h et e m p e r a t u r ef i e l da n da i r f l o w o r g a n i z a t i o no fi n n e rp a s s e n g e rc o m p a r t m e n tc a nb ew o r k e do u t f i n a l l y , v a r i o u s k i n d so ft o o l sa r ea d o p t e ds u c ha st h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s a m p l i n ga n ds t a t i s t i c a l a n a l y s i st od e a lw i t ht h er e s u l tg a i n e df r o mc a l c u l a t i o n i ti ss h o w nt h a tt h er e s u l ti s m o r er e l i a b l ea n da c c u r a t e k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ef i e l d ，c f d ，h e a tt r a n s f e r ，h e a tb a l a n c e i v 工程硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i i 第l 章绪论l 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2 课题的研究现状2 1 3 本文研究内容4 第2 章乘员舱热负荷计算的理论基础和研究方法6 2 1 导热6 2 1 1 温度场一6 2 1 2 导热基本定律7 2 1 3 平壁稳定导热7 2 1 4 二维稳定传热的数值解法。l o 2 2 对流换热1 2 2 2 1 概述1 2 2 2 2 影响放热系数的因素一1 3 2 3 辐射换热1 4 2 3 1 热辐射基本概念1 4 2 3 2 热辐射定律1 5 2 3 3 太阳辐射16 2 4 本章小结17 第3 章乘员舱内温度场仿真的数值方法1 8 3 1 计算流体力学基础知识1 8 3 1 1 概述18 3 1 2 计算流体力学的求解过程1 9 3 2 三维湍流模型一2 0 3 3 控制方程2l 3 3 1 质量守恒方程2 1 3 3 2 动量守恒方程2 l 3 3 3 能量守恒方程2 2 v 基于热平衡模型的汽车乘员舱内温度场分析 3 3 4 流动与传热问题的控制方程2 3 3 4 控制方程的离散化2 3 3 4 1 常用的离散化方法2 3 3 4 2 有限体积法的离散方式和表示方法2 4 3 4 3 有限体积法离散的基本方程2 4 3 5 湍流的数值模拟。2 5 3 5 1 湍流数值模拟方法。2 5 3 5 2 湍流模型概述2 6 3 5 3 两方程模型2 7 3 6 热辐射模型3 0 3 6 1 热辐射总体传输方程3 0 3 6 2 热辐射模式3 0 3 6 3 太阳负载模型3 l 3 7 本章小结3 2 第4 章乘员舱内热负荷的计算3 3 4 1 乘员舱的热环境3 3 4 2 车身壁面的传热过程3 4 4 3 壁面热阻的确定3 5 4 3 1 壁面热阻的计算方法3 5 4 3 2 车身壁面结构3 6 4 3 3 由车身壁面传入乘员舱内的热负荷3 6 4 4 通过玻璃传入乘员舱内的热负荷3 8 4 5 乘员产生的热负荷3 9 4 6 车内电机等造成的热负荷3 9 4 7 空调热负荷3 9 4 8 空调制冷量的确定3 9 4 9 本章小结4 0 第5 章汽车乘员舱内温度场的仿真计算4 l 5 1 概述4 1 5 2 数学模型的建立4 1 5 2 1 模型结构4 1 5 2 2 流场的离散化4 2 5 3 仿真模型的建立4 3 5 3 1 数值模拟方法以及计算模型的选择4 3 5 3 2 边界条件4 3 v i 工程硕士学位论文 5 3 3 初始条件一4 4 5 3 4 模拟工况4 5 5 4 仿真计算结果4 5 5 4 1 风管流量分配4 5 5 4 2 气流速度分布情况4 5 5 4 3 气流温度分布情况4 7 5 5 不同壁面传热系数对流场计算结果的影响4 9 5 5 本章小结5 0 结论与展望5l 参考文献5 3 致 射5 6 v i i 基于熟平衡模型的汽车乘员舱内温度场分析 插图索引 图2 2 单层平壁导热示意图8 图2 3 三层平壁导热示意图9 图2 4 接触热阻分析示意图1 0 图2 5 二维导热节点相对位置图1 1 图2 6 热边界层1 3 ， 图2 7 辐射能分配示意图1 5 图3 1 流场分析方法示意图。1 8 图3 2c f d 工作流程图2 0 图3 3 三维流动的离散方式和符号2 4 图2 1 乘员舱内热环境示意图3 3 图5 1 乘员舱内流场分析的c a d 模型4 2 图5 2 空调风管及乘员舱内部空间的网格图4 2 图5 3 空调风管4 5 图5 4y = 0 m 处截面速度分布图4 5 图5 5y = 0 3 5m 处截面速度分布图4 5 图5 6x 向典型截面的速度分布图4 6 图5 7z 向典型截面的速度分布图4 6 图5 8 乘员舱内流线图4 7 图5 9x = 0 3m 处截面温度分布图4 7 图5 9y = 0m 处截面温度分布图4 8 图5 1 0z = 0 8m 处截面温度分布图4 9 图5 1 1 乘员舱内各呼吸点降温曲线图( 仿真分析法) 4 9 图5 1 2 乘员舱内各呼吸点降温曲线图( 经验公式法) 5 0 i i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 在当今工业化的社会，汽车已成为最便捷、最普遍使用的交通工具，乘坐和 驾驶汽车已经成为我们日常生活和工作的重要组成部分。与此同时，用户对汽车 乘员舱内热舒适性的要求也越来越高。由于汽车乘员舱内结构十分复杂，如果不 对乘员舱内热环境的气流进行合理的组织，空调安装后往往达不到预期的效果， 温度场、速度场分布不合理，会造成局部的温度过高或过低，或者在某些区域空 气流速太快，而在另外一些区域又出现气流死角，不符合人体对热的体觉特征。 温度场的不合理分布还会使司机和乘客感到不舒适，导致司机的疲劳，降低司机 的操纵判断能力，甚至出现安全问题。舒适性是一个比较广的概念，汽车乘员舱 的舒适性是指为乘员提供舒适愉快便利的乘坐环境与条件，包括良好的平顺性、 车内的低噪音、适宜的空气环境以及良好的驾驶操作性能【l 】。在乘员舱舒适性的 评价体系中，热舒适性是其中一个至关重要的因素。 热舒适是对热环境表示满意的意识状态，这在美国供暖空调工程师学会的标 准中已有明确的定义。影响人体热舒适性的因素主要包括环境因素和人的因素， 其中环境因素主要包括：空气温度、平均辐射温度、空气流速、空气相对湿度等， 换而言之，乘员舱空气流动与传热研究是乘员舱气流组织设计及热舒适性评价的 基础；人的因素包括：人的新陈代谢和衣服的热阻。在狭小的非均匀热环境下研 究人体热舒适性需考虑人体每一部分与周围环境的热交换【2 1 。因此，需要对乘员 舱内热环境及人体热舒适性的问题展开研究，为乘员舱内人体热舒适性建立评价 指标，从而更好地进行乘员舱设计。一方面，世界各国尤其是欧美国家的汽车公 司都逐渐增加在汽车空调系统及乘员舱内部结构分析设计方面的投入，努力在处 理好燃油经济性的同时，最大化地实现乘员热舒适性；另一方面，从理论上对 影响乘员舱内人体热舒适性的因素进行研究，以期建立更加完善的评价标准，并 探索如何通过改善乘员舱内温度场和气流组织来实现更好的人体热舒适性。 通过阅读已发表的文献可以发现，目前在这两个方面的研究均取得一定的进 展，即在数值仿真和试验分析以及舒适性评价标准方面的研究均有一定的成果， 这些已对乘员舱内人体热舒适性方面的改善产生很大的帮助。在数值仿真方面， 仿真的结果与试验所测结果还存在较大偏差。这是由于缺少试验，许多模块的仿 真模型难以全面准确地反映其在乘员舱内热环境中的作用。其中部分模块对乘员 舱内热环境有较大影响，而且涉及到了复杂的车外环境和相当多的各种车体部件 【3 】。日照热辐射模型、车内饰件的隔热作用、空调运行时车内热环境的瞬态变化 基于热平衡模型的汽车乘员舱内温度场分析 等难题有待更好地解决。在试验分析方面，因为是通过对实车进行多点数据测试 来分析车室内的温度场和气流组织情况，测量点有限，依然存在片面性，目前尚 无规范的基于考察乘员舱内人体舒适性的试验。在热舒适性评价方面，乘员舱内 热环境与人体热舒适性之间的相互作用是非常复杂的，涉及生理和心理两个方面 的反映。传统的热舒适性评价指标如e t ( e f f e c t i v et e m p e r a t u r e ) 和p m v ( p r e d i c t e d m e a nv o t e ) ，存在不完善的地方，只是基于对乘员舱内热环境稳态情况的评价， 但是车内的热环境是瞬变的1 1 1 。如何较为全面地建立乘员舱内人体热舒适性的分 析模型以及更加准确地评价人体热舒适性已成为迫切并极具现实意义的重要研究 课题。 为了推进乘员舱内热舒适性的研究，本文重点针对车室内热负荷的计算和乘 员舱热平衡模型的建立进行尝试。目前，在进行乘员舱内热负荷计算时，为了简 化计算，车身各部分均按多层均匀平壁传热考虑。这样的简化处理存在一些问题。 汽车车身壁面除门窗玻璃以外，一般由外板、隔热层、内饰板组成。在这些固体 层中，热量传递是靠导热。但是由于车身壁面中存在空气层，即气隙。而在气隙 内则同时存在着导热、辐射换热和对流换热现象。所以只是简单地按多层均匀平 壁传热来考虑，不够准确。本文将采用计算传热学对车身传热过程进行仿真计算， 建立数学模型，并且将气隙中的导热、辐射换热和对流换热现象考虑进去，以求 更加准确地求解乘员舱内的热负荷。从而使得乘员舱内热环境的数值仿真结果更 趋于真实情况。 1 2 课题的研究现状 随着计算机技术的高速发展，仿真计算得到了更加广泛的应用，计算流体力 学今年来也逐渐兴起。采取计算流体力学方法对乘员舱内温度场和气流组织情况 进行数值仿真研究，可以快速而有效地预测乘员舱内的热环境，对于改善乘员舱 内人体热舒适性有着重要的理论价值和现实意义。国外一些知名汽车企业在这方 面的研究已经取得了较大的进展，国内许多汽车企业近年来在这方面研究也开展 了起来，增加了很多投入。 1 9 2 3 年，h o u g h t 、y a g l o g l o u 提出有效温度( e f f e c t i v et e m p e r a t u r e ) 来评估环境 热舒适度，有效温度代表由不流通的饱和空气引起的温度，其等效于穿着普通室 内服装长时间工作时所感受到的舒适度。1 9 7 1 年，r o h l e s 、n e v i n s i a l 针对1 6 0 种外 界环境条件对男性与女性测试者做热舒适性分析，其中环境条件包括环境温度 ( 2 2 2 7 * ( 2 ) 与相对湿度( 1 5 - 8 5 ) ，结果指出同一条件下男性会比女性感觉热，并认 为环境温度对热舒适度的影响比相对湿度重要。1 9 8 2 年，f a n g e r p j 以1 3 0 0 位受测者 做实验，提出热舒适度指标p m v ，p m v 可由环境温度、人体表面温度、环境辐射 温度、衣服热阻值、空气流动速率与人体活动程度来计算。1 9 8 9 年，f a n g e r l 6 将 2 硕士学位论文 计算方程式结合计算流体力学来预测室内环境的热舒适度，考虑辐射热交换与边 界的热交换，并由分析结果推论向上的空调系统有较好的效率，但有可能局部区 域会产生不舒适的情况。1 9 8 8 年，d o h e r t y 、a r e n t 7 】对f 跹g e r 所提出的p m v 热舒适 度模型做误差分析，认为在低活动量下p m v 模型有较高的准确性，但在分析剧烈 活动时则准确性会降低，并提出标准有效温度( s t a n d a r de f f e e t i v et e m p e r a t u r e ) 在 2 6 - 3 0 c 时p m v 模型有最佳的准确度。1 9 9 8 年k a n g 、p a r k t 3 】由湿度计、温度计和流 量感测计等测量仪器设计出一套测量环境舒适性的感测系统，通过此系统将其换 算为一般通用的p m v 值与c s v ( c o m f o r ts e n s i n gv o t e ) 值，并可显示在l c d 荧幕上， 此系统可以应用在许多室内环境设计上。 1 9 8 9 年，k o m o r i y a l 9 1 用有限元方法分析了二维车室的通风情况，采用烟气可 视化方法和照相技术进行流场测量，可以说这是第一次实现车内流场的可视化。 同年，h a n l l o j 利用三维模式模拟车内空调，车内入风i ：1 温度使用实验数据作为入 口条件，而车体外壳为固定温度边界与绝热边界两种情形，取车体中人体呼吸附 近温度与实验作比较，得到固定温度的边界条件可使预测温度更加接近实验结果。 1 9 9 1 年，w a n 、k o o i 1 1 l 模型，并使用p h o e n i c s 软件模拟车体接受日晒，出风口温 度固定下，讨论车内出风口入风口位置对车内温度分布的影响。对进风口和出风 口进行了计算找到了最佳的舒适度和送风方案。1 9 9 2 年，y a m a m o t o 1 2 】利用简化的 模型分析计算了卡车室内流场，并对人体热舒适性进行了预测，结果与实验比较吻 合。同年，l i n 1 3 j 利用软件v i n e 3 d 模拟了车内流场及温度场，并研究了汽车空调 送风口和回风口位置及大小等参数对车内人体舒适性的影响。1 9 9 8 年，l e e 、 y o o n 1 4 1 为探讨车内空调的三维流动行为与温度分布，以实车的十分之一作为模 型，将车内的气流与t l c ( t h e r m o c h r o m i cl i q u i dc r y s t a l ) 粒子混合，讯号透过仪 器的量测可观察到车内气流组织情况与温度分布。2 0 0 0 年，d a ga r o n s o n 1 5 等人 将汽车室内流场仿真结果与p i v 测试结果进行了对比。结果发现仿真结果与p i v 的 测试结果基本一致，只在仪表盘上方区域仿真结果与p i v 测试结果差别较大。作 者认为是采用了非结构化网格和k 吨方程的原因。 2 0 0 2 年，h u a n g 衣l h a n i l6 j 使用三维紊流理论结合固体的共轭热传导模式，利 用f l u e n t 软件做仿真分析，并设计一套针对实车日晒实验的系统，将实验所测车 内各点温度作为数值仿真的初始条件，以此来计算乘员舱内温度场和速度场分布 情况。2 0 0 3 年，y o s h i i c h i 1 7 j 等人进一步研究了车窗玻璃的光谱特性对乘员舱内人 体热舒适性的影响，顺利地计算出通过车窗玻璃进入车内的太阳辐射。2 0 0 5 年， c h e n 1 s 等人采用非结构性网格及压力中心法，并且使用标准k - 紊流模式及层流 模式来模拟乘员舱内部流场，其结果发现当使用紊流模式时，仿真计算得到的速 度与实际风速计测量结果较符合，若应用层流模式误差就会较大。2 0 0 7 年，瑞典 律勒欧科技大学的j o n a sj o n s s o n l l 9 1 研究了如何将日照载荷以合理的方式引入到乘 3 基于热平衡模型的汽车乘员舱内温度场分析 员舱热舒适性分析中，用数值方法仿真了热舒适性稳态计算、制冷瞬态计算、日 照辐射瞬态计算，并将计算结果与风洞试验结果相对比。在多次稳态舒适性分析 中发现，背部多处位置的温度远远高于实验中所得的数据，并分析认为是后椅上 固体单元没有设置准确的原因。 目前，在国内汽车界虽然起步较晚，但是经过近几年的研究发展，已经在汽 车内外流场模拟和车室内温度场数值模拟上取得了不少成果。 1 9 9 6 年，西安公路交通大学的张增社【2 0 】以实现乘员舱舒适性为目的，讨论了 空调客车乘员舱内气候参数的确定，所确定的车内气候参数可供在客车空调系统 设计时参考。1 9 9 9 年，上海交通大学的童灵【2 l 】利用数值方法模拟研究了改变空调 系统送风口和回风口的布置对汽车乘员舱内温度场分布造成的影响。2 0 0 1 年，上 海交通大学的简晓文【2 2 】用数值方法计算了商用面包车乘员舱内的空气流场，尝试 了零方程紊流模型在汽车乘员舱内流场模拟上的应用。2 0 0 3 年，西南交通大学的 申绪兵【2 3 】对微型面包车乘员舱内的温度场进行了相关研究。2 0 0 4 年，南京理工大 学的谢青松【2 4 】数值仿真了公交空调客车乘员舱内的气流组织情况，并尝试对其进 行改进设计。2 0 0 5 年，吉林大学的郭莉钰【2 5 】对汽车乘员舱内热环境自然通风遇冷 过程进行了数值模拟。2 0 0 6 年，青岛大学的杨娟1 2 j 对简化的空调轿车室内气流组 织进行了数值模拟。2 0 0 7 年，胡钦华和李奎山【2 6 】采用计算流体力学模拟仿真对室 内舒适性空调节能系统的设计与试验做了研究，探讨了与人体热舒适度有关的环 境因素。2 0 0 8 年，湖南大学的莫志姣、杨易【2 1 7 】等人以轿车空调为研究对象，对车 用空调室内夏季负荷及送风量进行设计计算，分析了空调风口布置对车内气流组 织的影响，为轿车室内环境的舒适性评价和轿车空调风口布置优化提供了参考。 汽车乘员舱内人体热舒适性研究真正应用在工程上的时间并不算长。在数值 仿真方面，仿真的结果与试验所测结果还存在较大偏差。由于汽车乘员舱内结构 十分复杂，如何准确模拟日照热辐射模型、计算车室内热负荷、引用人体热调节 模型等难题有待更好地解决。 1 3 本文研究内容 本论文以某空调乘用车乘员舱为研究对象，在外环境参数、车身几何参数、 车体材料的传热性能参数和h v a c 系统工作性能参数已知的情况下，首先利用传 热学对乘员舱内热环境的传热机理进行分析，对乘员舱内的热负荷进行计算；然 后再将计算所得的热负荷作为输入条件，利用流体力学基本方程计算出乘员舱内 三维流场和温度场，从而获得室内温度分布和气流组织情况；最后，采用理论分 析、采样统计分析等工具，对乘员舱内的速度场、压力场、温度场等进行分析， 对所分析车型的乘员舱内空调系统性能进行评价。具体来讲，本文主要研究内容 如下： 4 硕士学位论文 ( 1 ) 分析汽车乘员舱与外界环境之间的传热过程，对热传递各种方式( 导热、 对流和辐射) 的传热机理进行研究。 ( 2 ) 介绍与乘员舱内流场数值模拟有关的计算流体力学理论。 用的数值方法以及湍流模型。 ( 3 ) 建立车身壁面各部分的传热模型，求解乘员舱内热负荷。 与用经验公式求解的壁面各部分热负荷进行比较分析。 分析仿真中采 并将所得结果 ( 4 ) 建立汽车乘员舱内流场的数学仿真模型，包括前处理划分网格、确定材 料参数、设置边界条件和初始条件、太阳辐射边界条件等。将传热模型中求解的 热负荷加载到车身的壁面，对乘员舱内热环境进行数值计算。 ( 5 ) 求解计算，分析乘员舱内温度场和气流组织情况，分析所计算车型空调 系统的性能。根据计算结果，分析赋予车身壁面不同传热系数对乘员舱内流场的 影响。 5 基于热平衡模型的汽车乘员舱内温度场分析 第2 章乘员舱热负荷计算的理论基础和研究方法 通常把热量从高温流体通过间壁传给低温流体的过程叫做传热过程。而本文 研究的热传递过程正是这种情形。热量从乘员舱外的高温空气通过车身壁面传给 乘员舱内的低温空气。掌握这一热传递过程的机理对乘员舱内热环境的研究是极 其关键的。 乘员舱外壁面受到太阳的热辐射，外壁面温度高于环境空气温度，与环境空 气进行对流换热；车身外壁面吸收太阳热辐射，通过车身壁面向乘员舱内传热； 发动机舱的散热亦通过对流与导热传入乘员舱；地面的热辐射使汽车地板温度升 高。汽车与太阳的相对方位决定了车身外壁面受到的太阳辐射强度，外壁面颜色 又影响乘员舱对太阳热辐射的吸收率。部分太阳热辐射透过车窗玻璃进入乘员舱， 车窗玻璃的特性与太阳透射热辐射有密切的关系。因此，汽车的方位和围护结构 的特性影响乘员舱内热负荷，从而影响乘员舱内部空气流场的温度分布。 汽车乘员舱与外界环境的热传递方式有三种：导热、对流和辐射。 2 1 导热 2 1 1 温度场 在传热过程中，温度f 是空间坐标z 、y 、z 和时间f 的函数，所以温度场的 数学表达式是 t = f ( x ，y ，z ，r ) ( 2 2 ) 不稳定温度场就是随时间f 而改变的温度场，不稳定温度场中的导热现象即 为不稳定导热。反之，不随时间f 而改变的温度场称为稳定温度场，其数学表达 式为 f = f ( x ，y ，z ) ( 2 3 ) 在稳定温度场中的导热现象为稳定导热。当物体各部分温度不同时，就有热 量从高温部分向低温部分传递，各部分温度分布自发地趋于均匀。如果要阻止这 一趋势，就需要从外界不断地向高温部分补充热量，同时不断地从低温部分取走 热量。若要保持物体内部温度场的稳定，则需要保持补充的热量等于被取走的热 量。 从( 2 3 ) 式可知，若温度场仅与两个坐标有关，则可以称为二维温度场。二维 稳定温度场的数学表达式为 ，= f ( x ，少) ( 2 4 ) 6 硕士学位论文 i i 2 1 2 导热基本定律 侧面在进行过大量试验后，j b f o u r i e r 在l8 8 2 年归纳出：导热的比热流量g 与 温度梯度成正比，即 q 芘g r a d ， 或 q = 一2 9 r a df = 一2 妾 w m 2 】 ( 2 5 ) o n 式( 2 5 ) 是f o u r i e r 定律的数学表达式，也可称为f o u r i e r 导