摘    要

車輛供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的設(shè)計是為了滿足客艙內(nèi)乘客的安全和熱舒適要求。然而，熱舒適要求是高度主觀的，通常通過對艙內(nèi)各個位置的速度和溫度等參數(shù)進(jìn)行隨時間的映射來客觀地滿足。為了測試空調(diào)系統(tǒng)的有效性，對車輛內(nèi)部進(jìn)行了熱浸及其后續(xù)冷卻的目標(biāo)參數(shù)模擬。通常，交流性能是通過乘客所在位置的空氣溫度、熱舒適估計以及達(dá)到人體舒適狀態(tài)所需的時間來判斷的。模擬長瞬態(tài)車輛座艙進(jìn)行熱舒適性評估計算成本高，并且涉及復(fù)雜的座艙材料建模。本文對某汽車車廂在可控的氣候環(huán)境條件下進(jìn)行了物理試驗(yàn)。耦合方法的結(jié)果與熱浸和冷卻條件下的測試結(jié)果很好地相關(guān)，并且顯著減少了模擬時間。在客艙冷卻階段，使用PMV對乘客的熱舒適性進(jìn)行預(yù)測。該過程進(jìn)一步用于研究玻璃表面特性變化的影響，以預(yù)測座艙熱環(huán)境，如熱入口、座艙表面和空氣溫度。熱舒適也進(jìn)行了預(yù)測，并與基線設(shè)計進(jìn)行了比較。對吸波和反射玻璃材料進(jìn)行了玻璃材料敏感性分析，并對其對客艙表面和空氣溫度及熱舒適性的影響進(jìn)行了預(yù)測。該過程已被部署，并發(fā)現(xiàn)對預(yù)測車輛水平的熱舒適很有用。

01  前    言

目前，空調(diào)系統(tǒng)已成為全球汽車的標(biāo)配。車內(nèi)的高壓空調(diào)系統(tǒng)為乘客提供了熱舒適性和安全性。乘客通過高壓空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)或加熱模式實(shí)現(xiàn)熱舒適，氣流通過儀表板通風(fēng)口或次級通風(fēng)口(如控制臺、B柱、C柱或車頂通風(fēng)口)引導(dǎo)。此外，除冰過程通過使用HVAC的加熱系統(tǒng)提高駕駛員的能見度，確保了乘客的安全。高壓交流系統(tǒng)是影響傳統(tǒng)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放的主要輔助負(fù)荷，也會影響電動汽車的續(xù)航里程。

了解車輛在停放和行駛過程中車廂內(nèi)的熱積累情況是非常重要的。由于客艙表面材料層數(shù)的不同和表面厚度的變化，客艙的高壓交流熱負(fù)荷估算比較復(fù)雜?；诜抡娴能噹麅?nèi)氣流和溫度圖可視化對研究通風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計初期和最終生產(chǎn)階段的有效性具有重要意義。由于建模的瞬態(tài)方面的加入以及輻射仿真的復(fù)雜性，使得上述過程的計算成本很高。需要利用仿真技術(shù)對車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行建模，以估計車內(nèi)空氣和表面溫度等不同參數(shù)下的舒適性和空調(diào)系統(tǒng)的有效性。這些艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)對人體生理的影響可用于確定乘客的熱舒適性。利用熱生理模型可以對人體與周圍環(huán)境之間發(fā)生的復(fù)雜換熱過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，以評價人體的生理反應(yīng)。這些舒適模型大致可分為;生理基礎(chǔ)還是環(huán)境基礎(chǔ)。這些模型的計算輸出——核心溫度和皮膚溫度——被用作熱感覺模型的輸入，該模型預(yù)測熱舒適和熱感覺。

氣候室條件下的舒適性模擬尚無文獻(xiàn)報道。在上述條件下，不探討玻璃性能對熱舒適的影響。目前的工作是利用基于LBM的PowerFLOW和PowerTHERM軟件的耦合方法進(jìn)行瞬態(tài)仿真。該工藝適用于氣候室的熱浸和冷卻條件。本文對試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。用于模擬環(huán)境參數(shù)階段的工具是用于輻射和傳導(dǎo)建模的PowerTHERM，以及用于對流建模的PowerFLOW。在冷卻模擬過程中，這里添加了熱舒適結(jié)果。這一過程進(jìn)一步擴(kuò)展，以研究玻璃性能的變化對車內(nèi)乘客熱舒適的影響。

02  仿真設(shè)置

本文考慮熱浸和冷卻過程。熱求解器模擬輻射和傳導(dǎo)現(xiàn)象，流動求解器模擬對流換熱。在耦合過程中，流動求解器將各單元的表面換熱系數(shù)和流體溫度提供給熱求解器。兩種求解器創(chuàng)建的表面網(wǎng)格是不同的。對于熱求解器，四邊形網(wǎng)格用于熱浸和冷卻。在冷卻過程中，首先用細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行幾秒鐘的流動模擬，以解決間隙和通風(fēng)口周圍更精細(xì)的流動細(xì)節(jié)。然后采用速度凍結(jié)法對長瞬態(tài)熱冷卻過程進(jìn)行粗網(wǎng)格模擬。冷卻中的速度凍結(jié)有助于減少總體網(wǎng)格計數(shù)和隨后的熱模擬運(yùn)行時間，而不會犧牲從流動模擬中獲得的映射流動結(jié)果的準(zhǔn)確性。分析的領(lǐng)域包括整個車內(nèi)的管道、通風(fēng)口和通風(fēng)口內(nèi)的百葉機(jī)構(gòu)。車門、車頂、座椅、地板保溫層(含氣隙)等部件的熱質(zhì)量和傳導(dǎo)效應(yīng)建模為多層部件，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)中使用的熱電偶由無量綱探頭表示，該探頭記錄艙內(nèi)每個指定位置的溫度。探頭放置在儀表板、側(cè)玻璃、座椅、地板、擋風(fēng)玻璃、車頂和車門上，以測量表面溫度。圖2顯示了放置在所有部件的熱電偶的表面溫度探頭。下面的圖3顯示了用于測量所有乘客呼吸水平位置空氣溫度的空氣溫度探頭。

圖1 多層零件的分層方法

圖2 表面探頭

圖3 空氣探頭(呼吸水平)

對于太陽熱浸，模擬模型包括管道、通風(fēng)口和通風(fēng)口內(nèi)的百葉進(jìn)行建模。機(jī)艙被認(rèn)為形成一個完整的水密內(nèi)部幾何形狀(圖4)。初始條件是根據(jù)捕獲的測試初始條件提供的。其他設(shè)置視艙內(nèi)條件而定。零件采用標(biāo)準(zhǔn)的材料特性，假設(shè)整個零件的厚度是恒定的。

圖4 模擬座艙幾何形狀

表1 仿真輸入設(shè)置參數(shù)

03  研究內(nèi)容

艙室太陽熱浸

如圖5和圖6所示，由于暴露在通過前擋風(fēng)玻璃的燈輻射下，因此在熱浸結(jié)束時，儀表板和前擋風(fēng)玻璃處觀察到最高溫度。前風(fēng)擋玻璃的朝向、面積和性能對車內(nèi)溫度的升高起著重要作用，包括但不限于儀表板表面。

圖5 乘員艙內(nèi)部溫度分布

圖6 乘員艙外表面溫度分布

在熱浸結(jié)束時沿車輛Z軸觀察溫度分層的影響，如圖7所示。艙內(nèi)空氣溫度的差異可以清楚地看到，車頂附近的空氣溫度約為65-70°C，乘客腳附近的空氣溫度約為50-55°C。

圖7 Y=0截面處的溫度云圖

圖8顯示了仿真和實(shí)驗(yàn)的表面溫度對比。這里考慮了艙室的主要內(nèi)部表面和玻璃表面，以便與試驗(yàn)進(jìn)行比較。大部分發(fā)現(xiàn)的表面溫度偏差與測試結(jié)果相差3℃。觀察到的方向盤溫度最大偏差為7°C，這是由于方向盤表面用厚度建模。熱慣性建模不準(zhǔn)確，可以通過powerTherm軟件的實(shí)體建模進(jìn)一步改進(jìn)。

圖8 表面溫度(熱浸結(jié)束)

對于儀表板，由于多層零件厚度的簡化模型在有效表示熱慣量方面存在局限性，也出現(xiàn)了類似的趨勢?？紤]到模型的尺寸，進(jìn)一步研究座艙部件的實(shí)體建模是一個挑戰(zhàn)，但為了提高精度，這是未來需要考慮的問題。

圖9顯示了駕駛員、副駕駛員和后排乘客呼吸水平探頭測量和模擬的空氣溫度對比。在乘客呼吸水平觀察到良好的相關(guān)性，空氣溫度和偏差在1°C以內(nèi)。CAE模型較好地捕捉了熱浸階段的自然對流。

圖9 呼吸水平溫度

艙室冷卻

通風(fēng)口內(nèi)百葉的方向設(shè)置為直接流向乘客的臉，類似于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的通風(fēng)方向。圖10顯示了艙內(nèi)的流線。圖11顯示了艙內(nèi)表面溫度。將表面溫度仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較(圖12)可以看出，大多數(shù)表面的差異為3-4℃。由于熱慣性不能準(zhǔn)確地捕捉到表面厚度，因此在測試中預(yù)測的表面溫度較低，而實(shí)體建模將改善與建模中額外復(fù)雜性的相關(guān)性。儀表盤表面溫度偏差與測試值相差6°C。需要儀表板實(shí)體建模來準(zhǔn)確地表示熱慣性，以提高熱浸階段和冷卻階段的相關(guān)性。在呼吸水平，測試和模擬之間的溫差比熱浸階段有所增加。如圖13所示，該差異可達(dá)3°C，這在測試和模擬過程中測量探頭位置的冷卻階段受到流量波動的影響。測試中使用更多的熱電偶，模擬中使用更多的探頭，將減少相關(guān)性的差距。

圖10 乘員艙內(nèi)流線

圖11 冷卻結(jié)束時艙內(nèi)的溫度

圖12 冷卻結(jié)束時的表面溫度

圖13 呼吸水平溫度

玻璃敏感性研究

本工作研究了兩種玻璃方案(表2)，其中方案1采用全吸收玻璃，方案2采用反射前擋風(fēng)玻璃，并根據(jù)方案1采用其他玻璃，在此討論模擬結(jié)果。在方案1和方案2中，前擋風(fēng)玻璃的玻璃透光率分別比基礎(chǔ)工況的玻璃透射率降低了15%和35%。

表2 不同玻璃模擬方案

（一）熱浸工況

在模擬玻璃方案1和方案2時，使用了與基礎(chǔ)工況類似的腔室條件。在熱浸結(jié)束時，與基礎(chǔ)工況相比，在方案2中可以觀察到顯著的溫度降低(圖14)。在方案1中，儀表板溫度降低8°C，然而玻璃溫度高于基礎(chǔ)工況，這是由于玻璃的吸收率(圖15)。

圖14 熱浸結(jié)束時的表面溫度

圖15 熱浸結(jié)束時零部件表面溫度

（二）冷卻工況

在冷卻結(jié)束時，方案2在儀表板處觀察到溫度降低了23°C(圖16和圖17)。在方案2的冷卻過程中，后擋風(fēng)玻璃溫度升高，而前擋風(fēng)玻璃溫度降低。與用于后擋風(fēng)玻璃的吸收玻璃相比，前擋風(fēng)玻璃由反射玻璃制成，反射入射的太陽輻射，儀表板和包裹架上的溫度降低有助于降低冷卻期間的機(jī)艙溫度。方案1的玻璃具有吸收性，由于輻射和對流增加了客艙內(nèi)的熱量，從而提高了客艙內(nèi)的溫度。圖18顯示了在測試中監(jiān)測溫度的乘客的呼吸水平位置。與基礎(chǔ)工況相比，方案2中的呼吸水平溫度在浸泡結(jié)束時降低了8°C，在冷卻結(jié)束時降低了1°C(圖19-22)。

圖16 表面溫度30min冷卻結(jié)束

圖17 冷卻30min時的表面溫度

圖18 呼吸水平位置

圖19 駕駛員呼吸水平

圖20 副駕駛呼吸水平位置

圖21 后排RH呼吸水平位置

圖22 后排左側(cè)呼吸水平位置

（三）熱舒適性比較

熱舒適預(yù)測使用伯克利舒適模型。熱舒適預(yù)測駕駛者坐在車輛冷卻期間。駕駛員坐位被認(rèn)為是不活動的標(biāo)準(zhǔn)男性，分為16個身體部位。司機(jī)的夏季著裝:全袖襯衫、褲子和襪子。局部熱感覺和舒適度采用Berkeley舒適度計算，PMV采用Fanger模型計算。采用Berkeley舒適模型，給出了PMV的計算結(jié)果。預(yù)測平均投票是9分量表，它的范圍從-4，這是非常冷的+4，這是非常熱。特定部位的舒適狀態(tài)在-1到1之間。

以下是不同玻璃方案下駕駛員的熱舒適性與基礎(chǔ)工況的比較。下面的圖23-25顯示了在冷卻期間不同人體部位的PMV值。黑色區(qū)域是身體舒適的部位。

可以觀察到，在方案2的情況下，駕駛員在10分鐘內(nèi)達(dá)到舒適狀態(tài)。因此方案2顯示了減少車內(nèi)熱量的潛力，讓駕駛員在比基礎(chǔ)工況更短的時間內(nèi)體驗(yàn)舒適的環(huán)境條件。

圖23 冷卻第5分鐘時的PMV

圖24 冷卻第10分鐘時PMV

圖25 冷卻15分鐘時的PMV

在方案2中，駕駛員在20分鐘達(dá)到舒適狀態(tài)，而在方案1中，駕駛員在24分鐘后進(jìn)入舒適區(qū)(見圖26)，因此在車內(nèi)安裝方案2的玻璃將有利于更早地實(shí)現(xiàn)熱舒適。

圖26 全身PMV指數(shù)

04  結(jié)    論

1. 本文開發(fā)并應(yīng)用于汽車座艙分析的耦合仿真方法，對座艙熱參數(shù)(包括舒適性)的建模非常有效。

2. 采用模擬方法對氣候室條件進(jìn)行模擬，結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。地表溫度和空氣溫度很匹配。進(jìn)一步的建模改進(jìn)可以用實(shí)體建模準(zhǔn)確地表示熱慣性。

3.與基礎(chǔ)方案相比，反射玻璃在熱舒適方面表現(xiàn)更好。該方法在早期設(shè)計階段預(yù)測熱舒適和設(shè)計改進(jìn)研究中被發(fā)現(xiàn)是有用的。這一過程需要在室外天氣條件下進(jìn)一步驗(yàn)證。