基于STAR-CCM+的客车乘员舱热舒适性仿真与改进
林雪芳;张密科;王偲;黄荣哲
【期刊名称】《客车技术与研究》
【年(卷),期】2017(039)005
【总页数】4页(P32-34,43)
【关键词】STAR-CCM+;客车乘员舱;热舒适性
【作 者】林雪芳;张密科;王偲;黄荣哲
【作者单位】厦门金龙联合汽车工业有限公司,福建厦门361023;中国公路车辆机械有限公司,北
京100055;厦门金龙联合汽车工业有限公司,福建厦门361023;厦门金龙联合汽车工业有限公司,福建厦门361023
【正文语种】中 文
【中图分类】U467.4+1
由于客车车厢内空间较大，车窗玻璃较多，乘坐人数多，驾驶环境也在不断变化，影响车厢内热环境的因素较多，因此，乘员舱内热舒适性问题日益突出。近年来有关轿车乘员舱热舒适性方面的研究做得比较多[1-7]，而对客车的乘员舱热舒适性的研究比较少。本文运用STAR-CCM+软件对某客车乘员舱热舒适性进行仿真分析，改进行李架风道内结构，改善乘员舱的温度分布，为乘员舱空调风道的设计提供依据。运用CFD仿真和试验相结合的研究方法，时间短、费用较低，改进优化方案比较方便[8-9]。
STAR-CCM+软件是由CD-adapco公司开发。该软件通过一个单一集成用户界面和自动化工作流程，采用连续介质力学数值技术，为使用者提供精确高效的仿真技术。多物理、基于一体化集成环境、高重复性和适用性是其被誉为新一代CFD软件的最强闪光点[10]。
1.1 前处理及网格模型的建立
在整车模型里保留空调系统里空气流过的地方，包括驾驶室、乘员舱、前挡玻璃、仪表板、地板、空调蒸发器出风口、行李架风道、出风口格栅等三维数模，在Hyper-Mesh中进行几何处理，建立一个封闭的空间，如图1所示。采用三角形面网格划分，将满足质量的面网格输出保存成“.nas”格式的模型文件。
在STAR_CCM+中导入乘员舱热舒适性分析面网格模型（“.nas”格式），进行面网格重构。采用STAR-CCM+的切面体网格模型（Trimer）生成体网格，边界层采用棱柱层网格模型（Prism Layer mesher），除了进出风口和interface没有边界层之外，其余均是3层边界层，厚度为2 mm，增长比为1.4，得到体网格数量为1 516万个。
1.2 车室热边界条件的处理
1）太阳辐射参数。太阳辐射边界条件有太阳的高度角、方位角、直射强度、漫射强度等参数，由于没有这些参数的具体数值，可采用试验地方的经纬度、试验当天的日期、时间来计算，具体如下：纬度为24.27°，经度为118.06°，东八区，日期为2016年7月15日，时间为12∶00，太阳直射因子为0.7，太阳漫射比例为0.2。
计算时辐射量的大小和电脑内存有着直接的关系，如减少辐射量，计算内存也会减少，但是计算结果会存在一定的误差，考虑目前计算机的配置，在玻璃重要区域中Patch/Face Proportion设置为25，其余非重要区域均设置为10。
2）侧围、顶棚的热边界条件。客车顶棚、侧围通常为多层材料组合而成。以顶棚为例，顶棚所组成的4种材料的导热性能差异性很大，组成的复合结构的导热性能很难通过单层材料确定，为了计算的可行性，采用材料的综合导热系数[11-12]，计算公式如下：
式中：q为顶棚的综合单位热流量，W/m2；▽t为顶棚的内外侧温差，K；δi为第i层材料的厚度，m；λi为第i层材料的导热系数，W/（m·K）。
3）车窗玻璃的热边界条件。车窗玻璃通常为钢化玻璃，是单层材料；而前挡风玻璃为夹胶玻璃，内外两层材料，中间是胶膜[12]，其传热系数参考中空玻璃的计算公式。
式中：K1为玻璃的传热系数，W/（m2·K）；he为玻璃外表面当量换热系数，W/（m2·K）；hi为玻璃内表面当量换热系数，W/（m2·K）；d为玻璃厚度，m；λ为玻璃导热系数，此值为0.76 W/（m·K）。
此经验公式一般在炎热环境下成立，he=23 W/（m2·K），hi=8.7 W/（m2·K）。
夹胶玻璃传热系数： K2=1/（1/he+1/ht+1/hi）=1/（1/23+1/8+1/8.7）=3.53 W/（m2·K） （3）式中：K2为中空玻璃的传热系数，W/（m2·K）；ht为中空系统当量换热系数，W/（m2·K）。
4）灰体热辐射模型。灰体热辐射模型用来模拟与波长无关的热漫辐射现象，表面-表面热辐射用来模拟封闭空间内的灰体漫辐射。在STAR-CCM+软件中，选择灰体辐射模型后，边界条件中需要设置发射率、反射率和穿透率。其中，发射率+反射率+穿透率=1。根据不同部件的材料属性，具体数值设置为：侧围及顶棚发射率为0.84，穿透率为0；普通钢化玻璃发射率为0.1，穿透率为0.82；前挡夹层玻璃发射率为0.1，穿透率为0.71；仪表板发射率为0.9，穿透率为0。
1.3 仿真模型的设置
仿真模型选择Realizable K-epsilon湍流模型，空间离散采用二阶迎风差分格式，迭代方式选用Simple算法。
计算域入口条件是质量流量入口，其流量和温度数值是实车试验中测得的空调蒸发器出口流量和温度，分别为4 812 m3/h和289.2 K（16℃）；计算域出口使用默认压力出口，取背压为0 Pa。
瞬态计算时间步长为10 s，单位步长内最大迭代次数为100。
2.1 仿真分析结果
1）速度场分布。通过CFD稳态分析得到乘员舱内气流速度分布不均匀，中间区域风速较大，而驾驶室与最后一排座椅位置的风速较小，如图2所示。
2）温度场分布。通过CFD稳态分析得到乘员舱内温度分布不均匀，驾驶室与最后一排座椅位置的温度较高，与速度场分布规律一致，如图3所示。
2.2 试验验证
样车停放在太阳底下晒车，直到车内各测点平均温度升高至50℃左右，即仿真分析晒车结束时车内各测点平均温度，开启空调，进行试验30 min，得到驾驶员、第一排、二排、八排和
十二排座椅位置头部和脚部温度，并与仿真分析结果对比，如图4所示。仿真分析结果与试验结果的曲线趋势较为一致，误差在5%以内。2.3 改进方案及仿真分析结果
1）改进方案。综合分析原车型仿真分析结果温度分布图，原车型最前端和最后端温度较高，提出以下改进方案，主要是以降低风道阻力，增加前后流量分配为主要措施。
在原方案的基础上修改前顶弧形，与行李架风道无台阶连接，并增加两块导流板。行李架风道增加前后导流板和中间导流板，如图5和图6所示。驾驶室前顶送风口左右两侧各增加2个送风口，最后一排送风口左右两侧各增加1个送风口，同时在最后一排送风口处增加导流板，如图7所示。
2）仿真分析结果。仿真计算完成后，建立乘员舱速度及温度分布云图，可以看出改进方案的驾驶室及前排和后排区域的速度有所升高；同时，改进方案的驾驶室及前排和后排区域的温度有所下降。
修改前顶弧形结构，行李架风道增加导流板及增加前后顶送风口数量后驾驶室和最后一排座椅温度下降0~1℃，车内其余位置温度下降0~0.5℃，改善了乘员舱热舒适性，尤其是驾驶员和最后一排乘客，如图8所示。
1）通过STAR-CCM+软件建立客车乘员舱热舒适性分析模型，仿真得到的驾驶员和乘客的头部与脚部温度与试验结果误差均在5%范围以内，可以满足客车产品的实际应用。
汽车行李架2）将行李架风道内结构进行局部改进，增加导流板和送风口，改变了风道内气流大小，改善乘员舱的温度分布，乘员热舒适性得到了提升。
3）采用CFD分析方法对客车乘员舱热舒适性进行仿真模拟，为乘员舱空调管道的设计和空调出风口布置提供依据。
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【相关文献】
[1]芦克龙，谷正气，贾新建，等.某重型货车空调系统对乘员舱热舒适性影响的分析与改进[J].汽车工程，2011，33（2）:162-166.
[2]张文灿，陈吉清，兰凤崇.太阳辐射下车窗玻璃特性对车厢内温度场的影响研究[J].机械工程学报,2011,47（22）:119-125.
[3]江涛，谷正气，杨易，等.太阳辐射对乘员热舒适性影响的研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2011，34（8）:1135-1137.
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