芦克龙;谷正气;贾新建;尹郁琦
【摘 要】应用计算流体力学软件Fluent对某重型货车空调系统和乘员舱中的气流进行数值仿真,其结果与试验对比,相差在5%以内.采用当量温度Teq,i作为评价指标,对乘员舱的热舒适性进行分析.结果表明,由于各风道风量分配不均匀,乘员舱内部气流组织不合理,致使热舒适性较差.对空调系统进行改进,增加前吹面风道风量比例后,乘员舱的热舒适性得到明显改善.%A numerical simulation on the air flow in air-conditioning system and passenger compartment of a heavy truck is conducted by applying CFD code Fluent and its result is compared to test result with a difference within 5％.Using equivalent temperature as evaluation indicator, the thermal comfort in passenger compartment is analyzed.The results show that, due to the uneven distribution of air flow in various ducts and the unreasonable organization of air flow in passenger compartment, the thermal comfort in passenger compartment is rather poor.The modification of air conditioning system is carried out to increase the airflow proportion of front air duct, and as a resuit, the thermal comfort of passenger compartment is obviously improved.
【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2011(033)002
【总页数】5页(P162-166)
【关键词】重型货车;乘员舱;空调系统;计算流体动力学;热舒适性
【作 者】芦克龙;谷正气;贾新建;尹郁琦
【作者单位】湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;湖南工业大学,株洲,412007;湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;奇瑞汽车股份有限公司,芜湖,241006;湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082
【正文语种】中 文
前言
汽车空调的送风风道是汽车空调系统中重要的部件之一,其设计水平直接影响车内气流组织的合理性,从而影响乘员舱的热舒适性。对空调各风道进行风量分析,评价空调结构设计是否合理,这对提高乘员舱的热舒适性有着重要的工程意义。
近年来,气流在汽车空调风道内的流动情况一直备受关注。目前,随着计算机和数值技术的快速发展,计算流体动力学(CFD)则为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。CFD在现代汽车空调上的应用能够有效地模拟气流在空调内部流动的情况,这对于汽车空调的设计有很大的实用价值,为空调结构优化提供了理论依据。
目前,利用CFD方法进行乘员舱热舒适性方面的研究较多。其中文献[1]重点研究出风口风速、风口尺寸和安装位置对乘员舱热舒适性的影响,并在此基础上对空调系统进行改进,提高了乘员舱热舒适性。但以前的数值仿真分析,往往没有把整个空调系统考虑在内,没有考虑风道结构设计对出风口流速不均匀性的影响,这与实际情况不符。作者将重型货车空调系统和乘员舱作为一个整体,加入驾驶员模型,综合考虑乘员舱的热舒适性。
作者以某重型货车的空调系统为例,利用商业软件Fluent,对空调系统及乘员舱进行CFD分析,采用当量温度 Teq,i作为评价指标,对乘员舱热舒适性进行分析,发现原空调系统的各风道风
量分配不均匀,致使乘员舱内部气流组织不合理,热舒适性较差,于是对空调系统进行改进,使乘员舱热舒适性得到明显改善。
1 空调系统模型
图1为该重型货车空调系统(HVAC)包括各风道的几何模型,HVAC采用整体中置式结构,其6个出风口配合车身风道实现左、中、右吹风及除霜吹风,并具备脚部吹风功能。HVAC位于整个模型中间,连接着前吹面、左吹面、右吹面、左吹脚、右吹脚和除霜等风道。
图1 HVAC及各风道模型
2 CFD仿真及验证
2.1 基本控制方程
气流在HVAC和风道内的流动是复杂的三维湍流流动,对湍流的处理采用标准 k-ε双方程模型。湍流计算的基本控制方程为三维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程,简称RANS方程,即
(1)连续方程为
(2)运动方程为
(3)能量方程为
式中:矢量ui、uj为平均速度分量;v为平均速度;矢量xi、xj为坐标分量;p为流体微元体上的压力;μeff为湍流有效黏性系数;ρ为空气密度 (常温, 1.205kg/m3);T为温度;cp为比热容;k为流体的传热系数;ST为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转化为热能的部分[2-3]。
2.2 网格生成和边界条件设置
奇瑞卡车文中运用ICEM CFD 10.0来完成网格的划分,采用Delaunay三角形方法在整个计算流域面生成半结构化网格,同时对曲率变化比较剧烈的曲面处进行网格加密,以提高计算精度。为了研究乘员舱热舒适性,须要加入简化乘员舱和驾驶员模型,图 2为空调系统和乘员舱网格图。计算域边界条件设置见表 1[4-5]。
图2 空调系统加乘员舱网格图
表1 计算域边界条件设定计算域边界 边界条件设定计算域入口 质量入口质量流量0.197 36kg/s计算域出口 压力出口P=101 325Pa人体模型 壁面边界,换热系数hp=15W(m2·K)-1其余壁面 无滑移壁面边界
2.3 试验验证
试验时不加风道,只对HVAC进行检测。在风量性能测试台上对该重型货车HVAC总成进行出风口风量分布检测。该风量性能测试台用于汽车空调风量分配的性能试验,满足标准QC/T 657—2000的要求。被测风量范围为 0～800m3/h,测定精度可达3%。采用CFD软件Fluent进行仿真。为了与试验结果对比,同样只对HVAC进行仿真。仿真和试验各风道风量分配对比结果见表 2。
表2 仿真和试验对比(仅考虑HVAC)总出风口/ m3·h-1前吹面风口/%左吹面风口/%右吹面风口/%左吹脚风口/%右吹脚风口/%除霜风口/ %试验 577 32.6 11.6 10.1 5.7 6.5 33.5仿真 580 33.4 10.3 9.8 5.5 6.2 34.8
试验检测时,考虑到密封条件,风量有所泄漏。各风口总出风量小于总风量580m3/h。仿真与试验对比,各风口风量分配误差在5%以内,证明用CFD的方法进行模拟仿真是可行的。
3 空调系统分析
3.1 热舒适性评价
近年来国内外的研究成果充分证实了人体热舒适性是多种因素综合作用的结果,是一种主观心理反应。空气的流动直接影响人体皮肤表面与环境的对流换热及皮肤表面水分蒸发,即皮肤表面的热损失,也就对人体热舒适性产生影响。目前评价全身热舒适性的指标有多种,其中最常用的是 PMV指标。然而,由于重型货车乘员舱内的空气流动速度和温度梯度很大,太阳辐射不对称,舱内热环境非常不均匀。因此,采用PMV指标不能评价乘员舱内乘员的热舒适性,需要发展新的评价指标,这里,采用Teq,i作为新的评价指标。
首先将驾驶员人体分为 16个节段,计算每个节段与周围环境的热交换,然后利用局部热舒适评价指标 i代替全身热舒适评价指标来研究非均匀环境中人体热舒适性问题。强迫对流条件下人体第 i节段当量温度Teq,i的计算公式为
式中:Teq,i为人体第i节段的当量温度;Ts,i为人体第i节段的表面温度;vair,i为人体第 i节段周围的空气速度;Si为第i节段的表面面积;Ta,i为第i节段周围的空气温度;σ为斯蒂芬 波尔兹曼常数;
εi为第i节段的发射率;fi,n为第i节段对部件表面的角系数; Ti为第i节段的温度;Tn为乘员舱内部件的温度; Qsol为人体得到的太阳辐射;hcal,i为在标准环境下感受器标定的第 i节段的对流换热系数,i为人体的节段[6-7]。
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