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座艙制冷人機(jī)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(diào)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(diào)制冷是關(guān)鍵的性能參數(shù)，如果制冷性能設(shè)計(jì)過大，可能導(dǎo)致零件成本的上升，如果制冷性能
基于汽車空調(diào)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(diào)制冷是關(guān)鍵的性能參數(shù)，如果制冷性能設(shè)計(jì)過大，可能導(dǎo)致零件成本的上升，如果制冷性能設(shè)計(jì)過小，可能會引起客戶對空調(diào)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(jìn)行虛擬仿真，溫度結(jié)果誤差小于百分之五，與試驗(yàn)結(jié)果吻合，之后，通過人體模型、流場和溫度場結(jié)果計(jì)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(jìn)行評估，指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)制冷功能的前期開發(fā)，不但提高前期開發(fā)設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性而且節(jié)約整車開發(fā)成本。

關(guān)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(diào)最大制冷能力是整車空調(diào)的關(guān)鍵性能之一，如果設(shè)計(jì)較差，會導(dǎo)致空調(diào)制冷效果不好，直接影響客戶的感知體驗(yàn)。目前，最大制冷性能基本上是通過實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[1-7]，然后再通過夏季路試進(jìn)行主觀舒適性評估。常規(guī)的開發(fā)流程在設(shè)計(jì)前期沒有對人體舒適性進(jìn)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(dǎo)致評估結(jié)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(gè)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(diào)最大制冷的設(shè)計(jì)有更好的指導(dǎo)意義[17-20]。

01  舒適性評估參數(shù)和舒適性模型介紹

1.1溫度冷感指標(biāo)

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

采用Taitherm 軟件內(nèi)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(jù)當(dāng)前的溫度、濕度、速度和人體的新陳代謝，綜合計(jì)算轉(zhuǎn)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(jì)算分析

為了得到準(zhǔn)確的舒適性結(jié)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(gè)試驗(yàn)涉及到熱輻射和對流，為了更加準(zhǔn)確，基于Fluent 和Taitherm 兩個(gè)軟件進(jìn)行耦合計(jì)算，在耦合之前需要簡化模型用于Fluent 和Taitherm 計(jì)算分析的網(wǎng)格模型。

2.1 網(wǎng)格模型

Fluent 流場網(wǎng)格首先需要把駕駛艙內(nèi)氣流能夠接觸到的區(qū)域簡化出來，汽車出風(fēng)口和風(fēng)道及空調(diào)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(wǎng)格，其他區(qū)域可以在15 mm 左右，區(qū)域之間均勻過度，F(xiàn)luent 網(wǎng)格簡化完成后如圖3 所示。

 
Taitherm 網(wǎng)格基于流體網(wǎng)格進(jìn)行更改，提取熱輻射所關(guān)注的駕駛艙內(nèi)部件，主要包括前擋風(fēng)玻璃、后側(cè)擋風(fēng)玻璃、側(cè)擋風(fēng)玻璃、儀表板、地毯、座椅、假人模型生成以四邊形為主的網(wǎng)格，網(wǎng)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(diào)箱及相應(yīng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，Taitherm 簡化后的網(wǎng)格模型如圖4 所示。
 

2.2 熄火曬車模擬

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

為了進(jìn)行耦合模擬計(jì)算，首先通過Fluent 計(jì)算出穩(wěn)定的流場結(jié)果，導(dǎo)出5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min 和60 min 的對流換熱系數(shù)給Taitherm，根據(jù)對流換熱系數(shù)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，計(jì)算完成后，再把相應(yīng)的壁面溫度再導(dǎo)給Fluent 流場模型，F(xiàn)luent 通過導(dǎo)入的壁面溫度，穩(wěn)態(tài)計(jì)算后，導(dǎo)出相應(yīng)的對流換熱系數(shù)給Taitherm 模型，如此步驟進(jìn)行多輪耦合，直到壁面溫度達(dá)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(jì)算結(jié)果，如圖5 所示。
 

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

2.3 空調(diào)最大制冷的模擬

首先對Fluent 模型根據(jù)出風(fēng)口的溫度進(jìn)行虛擬分析，通過一維仿真計(jì)算或相關(guān)試驗(yàn)給出空調(diào)出風(fēng)口溫度和風(fēng)量，并根據(jù)相應(yīng)的曲線提取5 min、10 min、15 min 和20 min 出風(fēng)口的溫度作為Fluent流場的進(jìn)口邊界條件，如圖8 所示根據(jù)出風(fēng)口溫度試驗(yàn)值進(jìn)行提取出風(fēng)口各時(shí)間點(diǎn)的溫度，并且分別對儀表板4 個(gè)出風(fēng)口進(jìn)行設(shè)置，4 個(gè)出風(fēng)口的布置如下圖9 所示：以主駕中間出風(fēng)口為例，風(fēng)道進(jìn)口流量設(shè)置為25 L/s，5 min、10 min、15 min 和20 min的進(jìn)口溫度分別設(shè)置為10.26 ℃、7.64 ℃、6.77 ℃和6.94 ℃。

根據(jù)設(shè)定好的邊界條件進(jìn)行穩(wěn)定迭代計(jì)算，分別得到5 min、10 min、15 min 和20 min 相應(yīng)的流場，確定氣流的狀態(tài)并得到相應(yīng)時(shí)間下的對流換熱系數(shù)。

將第一輪對流換熱系數(shù)和相應(yīng)的流體溫度導(dǎo)入到Taitherm 進(jìn)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(jì)算，得到最大制冷的瞬態(tài)虛擬結(jié)果，如圖10所示為60 min 時(shí)艙內(nèi)及乘客的計(jì)算結(jié)果。
 

2.4 空調(diào)最大制冷的舒適性計(jì)算

將瞬態(tài)最大制冷的溫度場模擬結(jié)果進(jìn)行舒適性評估，同時(shí)需確認(rèn)乘客的穿衣指數(shù)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(shè)定此乘客穿短袖短褲作為穿衣指數(shù)，最后計(jì)算出最大制冷熱舒適性，結(jié)果如圖11 所示。
 
 
圖11 最大制冷的舒適性結(jié)果

通過結(jié)果給出熱舒適性評估，駕駛員在20 min時(shí)，頭部可達(dá)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(shí)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(dǎo)了設(shè)計(jì)開發(fā)。

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

3  結(jié)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(jìn)行耦合計(jì)算，試驗(yàn)與模擬值吻合較好。

2） 通過對空調(diào)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(jià)，在前期開發(fā)階段給予指導(dǎo)并且減少后期夏季路試的工作量，節(jié)省開發(fā)成本和時(shí)間。

3） 通過空調(diào)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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