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成果分享 | 乘員艙人體熱舒適性瞬態(tài)仿真方法研究
為推動電動汽車關鍵共性技術發(fā)展，服務于成員單位技術研發(fā)需求，自成立以來，聯(lián)盟一直持續(xù)開展整車及關鍵零部件前沿、共性技術研究工作，形成了大批研究成果，推動了電動汽車產業(yè)技術創(chuàng)新和進步。2023聯(lián)盟共立項共性技術課題22項，為推動課題交流和成果共享，聯(lián)盟將持續(xù)發(fā)布在研課題研究進展和成果，最大化發(fā)揮課題研究價值。
乘員艙人體熱舒適性瞬態(tài)仿真方法
01、研究目的
隨著汽車在我國的普及，車內時間的增加使得乘坐空間的熱環(huán)境逐漸成為消費者、研究人員和汽車廠家的關注焦點。車內熱環(huán)境不僅直接影響乘客的熱舒適性，還影響到他們對車型整體舒適度的評價。如何提升乘客在車內的乘坐體驗，已成為研究人員重點攻克的方向之一。當前的研究主要集中在兩個方面：一是車內熱環(huán)境的優(yōu)化，二是人體對冷熱刺激的反應和感知。乘員艙人體熱舒適性瞬態(tài)仿真方法研究課題由中國汽車工程研究院股份有限公司承擔，課題基于以上研究方向，提出了一種用于模擬乘員艙內人體熱舒適性的瞬態(tài)仿真方法。
02、研究進展與階段性成果
要開展人體熱舒適性研究，首先需要對車內熱環(huán)境進行深入分析，尤其是車體的換熱路徑。乘員艙的主要換熱路徑包括以下幾方面：透明外殼內外表面的對流和輻射換熱，以及其內部的輻射穿透；不透明外殼內外表面的對流和輻射換熱；不透明內部部件外表面的對流和輻射換熱；以及空調進出口與外界之間的熱量傳遞。這些換熱路徑共同影響車內熱環(huán)境，對乘客的熱舒適性產生直接影響。
圖1 汽車乘員艙換熱路徑
2. 車體幾何結構及熱物理屬性簡化方法研究
基于上述對車體換熱路徑的分析，結合實際情況，對車體的幾何結構和熱物理屬性進行了簡化，具體分為以下幾類：
① 透明外殼：玻璃部分
② 與外部環(huán)境接觸的非透明部件：車身、車門、地板
③ 與內部環(huán)境接觸的部件：座椅、前控板、后行李箱蓋、扶手箱、方向盤
上述材料的初始物理屬性根據相關文獻中的數據進行了賦值，以確保簡化模型能夠合理反映實際情況。
3. 車內熱環(huán)境測試及仿真對比研究
在表1所示工況下進行試驗與仿真對比，通過對標修正乘員艙熱環(huán)境仿真模型，以提高其準確性。在烤車工況下，調整各表面的發(fā)射率、透射率等熱學參數，同時，通過外流場仿真，計算出不同車速下車輛外表面的對流換熱系數，為精確模擬車外環(huán)境的熱交換提供數據支持。在降溫工況下，對流體進出口參數進行修正，以確保仿真模型能夠準確反映空調系統(tǒng)對車內熱環(huán)境的影響。
表1 仿真與試驗對標工況
下圖為仿真得到的流場與溫度場圖
通過對比仿真結果和試驗結果后，對物性進行修正，最終得到如下對標結果，說明仿真已經達到較高精度。
圖4 降溫工況乘員艙仿真與試驗平均溫度對比
在熱環(huán)境模型搭建完成后，下一步將搭建人體熱舒適性模型。在研究人體熱舒適性時，建立人體生理組織的精確模型至關重要。課題采用Fiala熱生理模型，該模型廣泛用于模擬人體的熱調節(jié)和熱傳導過程，能夠全面反映人體在不同環(huán)境條件下的熱舒適狀態(tài)。為了描述人體組織內部的熱量傳遞機制，課題使用了以下生物熱傳導方程，該方程適用于均勻、體積不限的生物組織，體現(xiàn)了組織內的熱傳遞機制及相關的物理過程：
上述公式中，公式的左邊表示人體組織內部的熱傳導和換熱過程，右邊表示人體組織能量變化，式中：
k是人體組織熱傳導率(W/
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