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SUV車型乘客艙溫度場仿真研究

2022-02-16 21:08:07·  來源：科聞智庫  
　
摘要：本文基于某款ＳＵＶ車型， 建立了完整的乘客艙ＣＦＤ模型， 其中考慮了乘客艙固體壁面多層材料、玻璃在不同波段輻射特型。并與臺架風量配比試驗以及整車降
摘要：本文基于某款ＳＵＶ車型， 建立了完整的乘客艙ＣＦＤ模型， 其中考慮了乘客艙固體壁面多層材料、玻璃在不同波段輻射特型。并與臺架風量配比試驗以及整車降溫試驗進行了對比，取得很好的一致性，溫度誤差較低。進一步的基于基礎(chǔ)模型，研究了一些影響乘客艙降溫性能的常見因素，并對各因素有了定量的判斷。結(jié)果表明針對車窗玻璃，增大反射率、降低透射率可以直接降低熱負荷，增加風道保溫棉可以減小熱量損失，直接提升空調(diào)降溫性能。
前言汽車乘客艙主要由玻璃、門護板、立柱護板、頂棚、地毯等內(nèi)飾件構(gòu)成，形成近似封閉的腔體。夏季汽車空調(diào)系統(tǒng)的一個主要功用就是保證該腔體能快速降溫冷卻，并自動維持在適當溫度，使艙內(nèi)乘員感覺舒適。乘客艙的熱量負荷直接決定了空調(diào)系統(tǒng)制冷的能力大小需求。如果乘客艙熱負荷過大，會導致空調(diào)負荷過大，不利于整車輕量化、振動噪聲、油耗等各項性能。而對于ＥＶ車輛來說，空調(diào)負荷過大則會消耗過多能量，降低行駛里程。
在整車熱負荷來源分解中，通過車窗玻璃傳入的熱量會占到整車熱負荷的絕大部分。在夏季陽光照射下，由于玻璃具有透射短波（紫外線、可見光）吸收長波（紅外線）的固有特性，同時乘客艙固體內(nèi)飾件在吸收太陽輻射后，會發(fā)出長波（紅外）輻射，這樣就導致乘客艙內(nèi)形成溫室效應(yīng)。隨著現(xiàn)在越來越多的車型采用全景天窗，加劇了乘客艙熱輻射及溫室效應(yīng)。故基于考慮太陽多波段熱輻射模型、固體熱傳導模型，以及熱對流模型的乘客艙熱負荷的研究，顯得越發(fā)的重要。
針對這一課題， 國內(nèi)外均進行了大量研究。國內(nèi)學者趙樹恩等在文獻［１］ 中基于簡化單層壁面乘客艙模型，研究了不同的玻璃輻射特性下乘客艙溫度變化。張文燦等［２］則采用等效節(jié)點方法，研究了不同屬性玻璃在不同日照時刻的溫度變化。宋亞軍等［３］采用ＣＦＤ 模擬了不同日照角度對于乘員熱舒適性的影響。
國外Ｏｚｅｌａ，Ｙ等［４］通過更換玻璃的試驗，對比了普通綠玻與紅外線隔離玻璃對乘員不同部位熱舒適性的影響。更進一步的，John等問結(jié)合ＣFＤ與動力經(jīng)濟性一維模型，研究了防日照輻射玻璃對車輛空調(diào)熱負荷的影響，以及對于燃油消耗、續(xù)航里程的影響。整體來說，相關(guān)論著仿真模型大多采用簡化乘員艙模型， 即假設(shè)乘員艙為單層，沒有考慮固體壁面的熱傳導以及熱容，缺乏與實車試驗相匹配的結(jié)果對比，基本未考慮玻璃在不同波段下的輻射特性的差異。本文從多波段熱輻射＋ 固體壁面模型模型為基礎(chǔ)，采用軟件ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋，建立了完整的ＣＦＤ 基礎(chǔ)仿真模型，調(diào)試模型至與試驗結(jié)果匹配，然后基于該基礎(chǔ)模型，展開研究了不同玻璃屬性、風道保溫等參數(shù)對乘客艙降溫性能的影響。
１．相關(guān)理論介紹ＣＦＤ技術(shù)目前在汽車開發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用非常成熟，在汽車行業(yè)主機廠主要有以下幾方面應(yīng)用：整車氣動力分析、氣動噪聲分析、熱管理分析（含發(fā)艙熱保護、冷卻、空調(diào)） 等?，F(xiàn)代ＣＦＤ 理論主要基于流體力學質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、組分質(zhì)量守恒方程，結(jié)合湍流模型以及邊界層函數(shù)使用。相關(guān)基礎(chǔ)理論在此不贅述。
在汽車乘客艙熱量傳播上，熱傳導、熱對流、熱輻射這三種熱量的傳播方式都會出現(xiàn)，且都有重要作用，不能忽視。結(jié)合文獻針對熱傳導過程，在此以車門為例，假設(shè)熱量只在車門內(nèi)外一個方向傳導，則單位時間內(nèi)通過該車門的導熱量與車門內(nèi)外側(cè)的溫度變化率，以及車門面積存在如下關(guān)系：



發(fā)射率、透射率、反射率為無量綱數(shù)，三者之和為１ 。在實際整車中，存在大量金屬非金屬部件，各個部件的發(fā)射率、透射率、反射率都不盡相同。 為保證良好的視野，車輛窗戶基本由普通綠玻制成， 其中前風擋玻璃中間有ＰＶＢ夾層普通玻璃輻射透射率引用文獻[8]所示：
在太陽輻射光譜中， 小于0.4微米的波長的范圍為紫外線，0.4~0.76微米之間的波長范圍內(nèi)為可見光， 大于0.76微米波長范圍為紅外線。其中約50%能量集中在可見光區(qū)域，約43%能量在紅光譜區(qū)。在圖１中，普通玻璃在太陽輻射紅外線波段處于高透射狀態(tài)， 即不能有效阻擋太陽紅外線輻射， 而目前廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)的low-e渡膜玻璃，則可以很好的阻擋紅外線。采用low-e渡膜玻璃對乘客艙降溫性能的影響在本文后面會展開研究。
鑒于此，在本文的CFD仿真中，為了考慮車窗玻璃對于不同波段輻射的選擇性，采用了雙波段熱輻射模型，選取短波段0.4微米~3微米，長波段3微米~5微米。
２ ．ＣＦＤ 分析模型介紹
本文選用某款ＳＵＶ車型，抽取乘客艙空軋建立了乘客艙流體、玻璃固體、內(nèi)飾固體等多個計算域。模型整體信息如下： 整體網(wǎng)格數(shù)量：１１０８萬Ｔｒｉｍ 網(wǎng)格；網(wǎng)格尺寸：局部1-2mm， 整體８-32mm；邊界層尺寸：２層２ｍｍ，增長率１.５；求解模型：瞬態(tài)，非定常密度氣體，考慮重力，Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ Ｋ－ＥｐｓｉｌｏｎＴｗｏ－Ｌａｙｅｒ模型，采用太陽福射＋兩波段輻射模型；求解吋間：采用３００核并行計算，瞬態(tài)計算４８００ｓ總耗時約１０小時，結(jié)果文件大?。玻担牵?；模型整體如圖２所示，其中包含所有內(nèi)飾件、座椅等，以及駕駛員處標準坐姿假人一名。
天窗同樣體現(xiàn)在模型中，如圖３所示。假設(shè)遮陽簾處于關(guān)閉狀態(tài)，遮陽簾以上空間與乘客艙空間不進行物質(zhì)交換，僅通過遮陽簾進行熱交換。圖４展示了乘客艙空間內(nèi)部體網(wǎng)格，其中座椅、后排衣帽架采甩固體建模處理，厚度為實際厚度。在乘客艙外部，各玻璃按照實際厚度進行拉伸體建模， 其余壁面部件統(tǒng)一采用畫定厚度進行拉伸體建模。
計算模型中，同樣考慮了風道的熱量損失。風道以及格柵模型如圖5。流體域入口處取ＨＶＡＣ分配箱部分模型，以模擬風機出的氣流不均勻性。
３ ．分析輸入非幾何參數(shù)
汽車乘客艙壁面材料種類較多，均以多層疊加的方式存在，在此以前車門為例列舉部分在本文中用到材料屬性，如表１所示。
在本文中，假設(shè)表１ 中的各個部件僅存在熱傳導無泄漏對流等現(xiàn)象， 因此可以按照前述的方式計算總成的密度、比熱容、熱傳導率等信氣然后賦予到該總成的固體材料屬性中。而對于車身以及內(nèi)外飾材料的輻射系數(shù)，本文中統(tǒng)一采用如表２所示設(shè)置，具中反射率未列舉。
模型采用瞬態(tài)計算，進口氣流溫度是一條隨時間變化的曲線， 如圖６所示。該曲線采集自試驗中的空調(diào)蒸發(fā)器出口空氣溫度。
４ ．試驗工況及設(shè)置
為了對比分析與試驗之間的誤差，并調(diào)試仿真模型，在此依次設(shè)計了兩個層級的試驗。首先是零部件總成級別的臺架風量配比試驗，用于測量風機匹配風道后，在吹面模式最大檔下的各個出口流量配比。然后是整車級別試驗，用于測量在整車工況下乘客艙風道出口，以及乘客艙內(nèi)部各測點的溫度。
４ ．１ 臺架風量配比試驗
該試驗設(shè)置見圖７。試驗前將風道所有出口連接延伸段，該延伸段直徑與風速儀相同，同時確保風機、風道、延伸段、葉輪風速儀之間的密封。測量時調(diào)至全吹面模式，記錄葉輪式風速儀測量得出的風速，然后按照各出口風速配比，折算成流量配比。試驗共計測量３次， 最后取平均值作為最終結(jié)果。
４ ．２整車降溫試驗
整車降溫試驗在高溫轉(zhuǎn)鼓試驗艙進行，試驗工況見表３，試驗現(xiàn)場圖片見圖８、圖９。在各個出風口， 以及乘客艙前后排頭腳部（共計８點），均布置有Ｋ型熱電偶傳感器， 在試驗過程中每隔1ｓ實時采集溫度信息。

圖1０是臺架風量配比試驗與仿真結(jié)果對比， 可以看到各個出口流量配比非常匹配，試驗與仿真的差值不超過2%。表示模型能夠準確的模擬風道內(nèi)部氣流流動。
在整車降溫試驗中，主要關(guān)注在儀表板上的５個吹面出風口氣流溫度，以及乘客艙的８個頭腳測點溫度。圖１２至圖１４可見其中三個吹面出風口溫度測點試驗和仿真對比，另外２測點分別與圖１２、圖１３基本對稱，在此未列出可以看到，試驗與仿真的吹面出口溫度變化趨勢幾乎一致， 各個時間段上的差值也很扎這表示模型在風道的熱量損失上的模擬是比較準確的。


仿真基礎(chǔ)模型的乘客艙內(nèi)８點平均溫度曲線與試驗值的對比如圖１５所示?？梢钥吹皆囼炁c仿真在整個時間段內(nèi)誤差相對比較小， 部分時刻最大溫差不超過２°Ｃ（約４０００ｓ 時）同時，在試驗最后階段（ ４８００ｓ時），采用熱成像儀拍攝了部分壁面，并與ＣＦＤ仿真進行了對比。圖１６為前排副駕側(cè)窗溫度，可以看到在試驗中玻璃下沿門護板以及Ａ 柱靠前風擋處均受到太陽直射，溫度較高，仿真中也體現(xiàn)了這一點。同時玻璃溫度呈現(xiàn)前部分溫度高， 后部分溫度低的分布趨勢，仿真也基本與之吻合。圖１７為天窗遮陽簾前部副駕側(cè)溫度分布。試驗與仿真均顯示遮陽簾溫度比頂柵壁面溫度高出約１5℃。試驗中由于遮陽簾四周縫隙處存在頂部熱氣泄漏，溫度要高于中心區(qū)域，而仿真模型中無法體現(xiàn)這一點，故有一定差異。
基于上述結(jié)果，可以看到試驗與仿真在出風口溫度、乘客艙平均溫度上的差異較小。在乘客艙固體壁面溫度分帝上試驗與仿真趨勢吻合。至此認為該ＣＦＤ 仿真基礎(chǔ)模型精度已經(jīng)滿足要求，可以用于后續(xù)的針對相關(guān)因素對降溫性能影響的研究。
６ ．相關(guān)因素對降溫的影響
為了進一步的改善乘客艙降溫性能，以降低乘客艙熱負荷、減弱冷量損失為主要導向，在此選取了如表４所示的８個方案，來進一步探討相關(guān)因素的影響。其中方案１-４主要是改變玻璃屬性，案５ 、６改變了天窗遮陽簾屬性，方案７用于減弱風道熱量損失。方案１-７均是基于基礎(chǔ)方案，僅改變表中所述的的參數(shù)。方案８是各個方案中對降溫效果部分有益方案的疊加。
總體來說，方案１ 、３ 、５ 、６ 的乘客艙平均空氣降溫結(jié)果相對基礎(chǔ)方案來說變化不明顯。 對于方案１，由于玻璃變厚熱阻増加， 使得由熱傳導進入乘客艙的熱量由300Ｗ 降至190Ｗ（除天窗外），但降低的熱量相對較少，僅有１００Ｗ 左右，反應(yīng)在艙內(nèi)８點平均溫度上變化量很小。 方案２降低了玻璃短波段透射、增大了反射率率， 使得進入乘客艙的熱輻射宣接減小， 其對降溫性能的貢獻明顯，在３５００秒左右能較基礎(chǔ)方案降低約1.5℃。 方案３與方案垌理，僅僅增加了一層玻璃上的熱阻， 并未對玻璃輻射特性做改變，降溫改善不明顯。 方案４降低了玻璃短波透射率，乘客艙溫度部分時刻可以比基礎(chǔ)方案下降約1℃?？梢?在車輛貼膜時，如果選擇高檔次的，能確實降低輻射透射率的車膜，可以起到良好的改善空調(diào)性能的效果。方案５ 的遮陽簾平均溫度比基礎(chǔ)方案降低2.3℃，即部分熱量未被遮陽簾吸收，而是穿透了遮陽簾，但是總的通過遮陽簾進入乘客艙的熱量是相當?shù)?，所以乘客艙８點平均溫度變化不大。但是圖１９可以明顯看到乘客艙內(nèi)部的曰照輻射増強，從人體熱舒適性角度來考慮， 方案５會明顯使乘客感受到來自天窗的日照輻射，受曰體部位會明顯覺得熱。
基礎(chǔ)方案中， 由遮陽簾熱傳導進入車內(nèi)的熱量熱量約是120w，方案６將遮陽簾平均溫度降低了0.7℃，總量較少，故對整體溫度變化影響不大。 方案７，即在風道外壁面增加保溫層，能有效降低風道壁面的熱損失。以第二排吹面風管為例，可以從圖20明顯看到：在4800ｓ時，方案７風道壁面溫度遠低于基礎(chǔ)方案?；A(chǔ)方案出口氣流溫度為15.7℃，方案７降至１3.3℃。整個乘客艙平均溫度比基礎(chǔ)方案降低約０.5℃ 。方案８是以上各個有益方案的疊加。在部分時刻，艙內(nèi)平均溫度可以比基礎(chǔ)方案降低約2℃，收效很好。
由上述方案可見， 在乘客艙相關(guān)影響因素中，玻璃輻射特性、風道保溫性能這兩者的提升，對降性能有著直接的巨大貢獻。遮陽簾如果是稀疏狀可以透過陽光， 則會對乘員熱舒適性帶來直接的惡化。
７．總結(jié)
本文基于某款ＳＵＶ車型，建立了完整的乘客艙模型，其中考慮了乘客艙固體壁面多層材料屬性、玻璃的不同波段福射特型等?；A(chǔ)模型與試驗取得了很好的一致性，誤差較低?；诨A(chǔ)模型進一步研究了一些影響乘客艙降溫性能的常見因素，并對各因素有了定量的判斷，其中有明顯有益效果的因素如下：采用低輻射透射玻璃（low-e玻璃）、増加風道保溫層、全車采用低輻射透射貼膜。會惡化降溫性能的因素有：天窗遮陽簾透光。另外如增加玻璃厚度、遮陽簾加厚等單純增加壁面熱阻，而不改善輻射特性的措施，對降溫性能改善不大。有了較為準確的乘客艙模型，下一步可以通過集成一維空調(diào)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)分析工具，實現(xiàn)瞬態(tài)過程實時耦合。同時引入人體熱舒適性模型，評判降溫過程中人體熱舒適性的表現(xiàn)及變化。
免責聲明：文章來源劉楊，付杰；奇瑞汽車股份有限公司
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