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座艙制冷人機舒適性CAE分析

2020-08-09 23:13:45·  來源：車圈沒有圈  
　
基于汽車空調最大制冷的舒適性虛擬分析摘 要：在汽車整車開發(fā)前期中，空調制冷是關鍵的性能參數，如果制冷性能設計過大，可能導致零件成本的上升，如果制冷性能
基于汽車空調最大制冷的舒適性虛擬分析
摘 要：在汽車整車開發(fā)前期中，空調制冷是關鍵的性能參數，如果制冷性能設計過大，可能導致零件成本的上升，如果制冷性能設計過小，可能會引起客戶對空調制冷的抱怨，最終客戶會通過舒適性反饋出來。本文對最大制冷工況進行虛擬仿真，溫度結果誤差小于百分之五，與試驗結果吻合，之后，通過人體模型、流場和溫度場結果計算出人體舒適性。該人體舒適性分析流程能夠在前期開發(fā)階段就對舒適性進行評估，指導空調系統制冷功能的前期開發(fā)，不但提高前期開發(fā)設計的穩(wěn)健性而且節(jié)約整車開發(fā)成本。

關鍵詞： 整車開發(fā)前期；最大制冷；舒適性；仿真

0  引 言

汽車空調最大制冷能力是整車空調的關鍵性能之一，如果設計較差，會導致空調制冷效果不好，直接影響客戶的感知體驗。目前，最大制冷性能基本上是通過實車試驗進行驗證[1-7]，然后再通過夏季路試進行主觀舒適性評估。常規(guī)的開發(fā)流程在設計前期沒有對人體舒適性進行虛擬仿真[8-12]，而且由于參加路試的測試人員的體型、胖瘦以及性別的不同都會導致評估結果不一致，無法完全表征出所有人的舒適性[13-16]。

本文通過對前期最大制冷舒適性能的仿真模擬，能夠在早期階段介入舒適性評估，通過客觀分析同一個人體模型而得到最大制冷的舒適性，具有很好的一致性，對于前期空調最大制冷的設計有更好的指導意義[17-20]。

01  舒適性評估參數和舒適性模型介紹

1.1溫度冷感指標

熱環(huán)境綜合評價指標（PMV）是一個溫度冷感指標，用來反映人的感知度，在ISO-7730 標準中，從-3（冷感）到0（中間感受）到+3（熱感）共7個階段的舒適評價。Taitherm 軟件從-3 到+3 擴展為-4 到+4，如圖1 所示增加非常熱和非常冷兩個溫度指標。
1.2舒適性模型

采用Taitherm 軟件內的BerkeleySegment 模型，建立人體舒適性模型；此模型可以把人體分為21部分，如圖2 所示；該模型各部分包含16 層的邊界層（包括表皮、脂肪、肌肉和骨骼等），可以根據當前的溫度、濕度、速度和人體的新陳代謝，綜合計算轉化成人體的感知度來給出舒適性的評估。

2  最大制冷耦合計算分析

為了得到準確的舒適性結果，首先要基于虛擬仿真得到最大制冷性能的溫度場和流場；由于整個試驗涉及到熱輻射和對流，為了更加準確，基于Fluent 和Taitherm 兩個軟件進行耦合計算，在耦合之前需要簡化模型用于Fluent 和Taitherm 計算分析的網格模型。

2.1 網格模型

Fluent 流場網格首先需要把駕駛艙內氣流能夠接觸到的區(qū)域簡化出來，汽車出風口和風道及空調箱體等，涉及到氣流區(qū)域的面生成大小為2 mm 左右的三角形網格，其他區(qū)域可以在15 mm 左右，區(qū)域之間均勻過度，Fluent 網格簡化完成后如圖3 所示。

 
Taitherm 網格基于流體網格進行更改，提取熱輻射所關注的駕駛艙內部件，主要包括前擋風玻璃、后側擋風玻璃、側擋風玻璃、儀表板、地毯、座椅、假人模型生成以四邊形為主的網格，網格大小為15 mm 左右，由于不涉及到流體，所以簡化模型可以去掉空調箱及相應的風道結構，Taitherm 簡化后的網格模型如圖4 所示。
 

2.2 熄火曬車模擬

網格完成后，首先要模擬整車熄火曬車工況，通過Taitherm 和Fluent 進行耦合計算，由于要模擬熱輻射，對模型上方進行光照設置，使車頂能夠接收到1,000 W/m2 的光照，模型計算是基于環(huán)境溫度為38 ℃、光照為1,000 W/m2 的條件下進行瞬態(tài)模擬，前后擋風玻璃要設置為半透明模型，并根據玻璃屬性設置前擋風玻璃吸收率為0.3 和透射率為0.6（根據實際玻璃的屬性進行設置），設置前擋風玻璃的厚度為3.5 mm 和相應的材料屬性，另外設置儀表板、地毯相應材料屬性和厚度及表面屬性吸收率。

為了進行耦合模擬計算，首先通過Fluent 計算出穩(wěn)定的流場結果，導出5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min 和60 min 的對流換熱系數給Taitherm，根據對流換熱系數進行瞬態(tài)計算，計算完成后，再把相應的壁面溫度再導給Fluent 流場模型，Fluent 通過導入的壁面溫度，穩(wěn)態(tài)計算后，導出相應的對流換熱系數給Taitherm 模型，如此步驟進行多輪耦合，直到壁面溫度達到穩(wěn)定，如下為某款車型的熄火曬車的工況耦合穩(wěn)定后的Taitherm瞬態(tài)計算結果，如圖5 所示。
 

瞬態(tài)計算結果能夠反映出車輛浸置在38 ℃環(huán)境溫度、60 min 內受光照熱輻射后的艙內溫度的變化，通過和實車相同測點位置溫度進行對比，對比結果如圖6 所示。
 
實車P1、P2、P3 和P4 測點位置如圖7 所示。通過對比可以看出，耦合計算得到的虛擬結果基本能夠和實際試驗一致性很好，溫度誤差小于5%，此熄火曬車虛擬結果可以作為最大制冷工況的初始條件。
 

2.3 空調最大制冷的模擬

首先對Fluent 模型根據出風口的溫度進行虛擬分析，通過一維仿真計算或相關試驗給出空調出風口溫度和風量，并根據相應的曲線提取5 min、10 min、15 min 和20 min 出風口的溫度作為Fluent流場的進口邊界條件，如圖8 所示根據出風口溫度試驗值進行提取出風口各時間點的溫度，并且分別對儀表板4 個出風口進行設置，4 個出風口的布置如下圖9 所示：以主駕中間出風口為例，風道進口流量設置為25 L/s，5 min、10 min、15 min 和20 min的進口溫度分別設置為10.26 ℃、7.64 ℃、6.77 ℃和6.94 ℃。

根據設定好的邊界條件進行穩(wěn)定迭代計算，分別得到5 min、10 min、15 min 和20 min 相應的流場，確定氣流的狀態(tài)并得到相應時間下的對流換熱系數。

將第一輪對流換熱系數和相應的流體溫度導入到Taitherm 進行最大制冷瞬態(tài)模擬，如熄火曬車工程一樣，通過Fluent 和Taitherm 軟件的相互多輪耦合計算，得到最大制冷的瞬態(tài)虛擬結果，如圖10所示為60 min 時艙內及乘客的計算結果。
 

2.4 空調最大制冷的舒適性計算

將瞬態(tài)最大制冷的溫度場模擬結果進行舒適性評估，同時需確認乘客的穿衣指數和新陳代謝的狀態(tài)。由于模擬高溫環(huán)境下的最大制冷，設定此乘客穿短袖短褲作為穿衣指數，最后計算出最大制冷熱舒適性，結果如圖11 所示。
 
 
圖11 最大制冷的舒適性結果

通過結果給出熱舒適性評估，駕駛員在20 min時，頭部可達到自然涼爽的狀態(tài)，比較舒適，并可以通過瞬態(tài)模擬看出各時段乘客艙的舒性狀態(tài)，從而給出最大制冷過程中的舒適性的評估，前期指導了設計開發(fā)。

通過上述對最大空調性能舒適性的分析，得出空調最大制冷的舒適性分析流程，具體如圖12 所示。

3  結論

1） 熄火曬車和最大制冷過程的溫度場虛擬仿真，通過Fluent 和Taitherm 軟件進行耦合計算，試驗與模擬值吻合較好。

2） 通過對空調最大制冷性能舒適性的模擬可以從客觀角度給出舒適性評價，在前期開發(fā)階段給予指導并且減少后期夏季路試的工作量，節(jié)省開發(fā)成本和時間。

3） 通過空調最大制冷的虛擬仿真，對舒適性模擬形成流程規(guī)范。

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