摘要

如今許多來自市場方面的因素，比如消費者對汽車的信息娛樂系統(tǒng)、自動駕駛輔助系統(tǒng)以及動力系統(tǒng)電氣化的需求等，推動了汽車艙內(nèi)電氣系統(tǒng)數(shù)量的增加。不過電氣系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作的溫度范圍是有限的，所以保證這些系統(tǒng)在一些環(huán)境溫度和太陽輻射強度高的地區(qū)正常使用是非常有挑戰(zhàn)性的事情。通過傳統(tǒng)的氣候環(huán)境制造設(shè)施來復(fù)現(xiàn)這些地區(qū)的氣候狀態(tài)，以了解電氣系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，是一種可行的研究方法，然而這種設(shè)施有許多的限制，比如位置固定的光照模擬系統(tǒng)無法模擬陽光的變化、設(shè)施內(nèi)壁的二次輻射對測試結(jié)果的影響以及高昂的運營成本等。因此，可以利用CAE仿真方法來進行研究，仿真模型通過各種條件的設(shè)置可以更加接近真實的環(huán)境狀態(tài)，為此本文提出了一種CAE仿真方法來預(yù)測汽車的艙內(nèi)溫度，同時為了深刻認(rèn)識環(huán)境因素對艙內(nèi)溫度的影響，并將仿真與試驗結(jié)果聯(lián)系起來，本文給出了一套試驗及數(shù)據(jù)采集的方法，包括車內(nèi)環(huán)境及表面溫度，直接、擴散和全球太陽輻照強度，環(huán)境溫度，風(fēng)速和方向等。仿真計算的結(jié)果與環(huán)境風(fēng)洞測得的數(shù)據(jù)相對比來確保仿真與試驗工況的一致性，同時也對真實環(huán)境和環(huán)境風(fēng)洞試驗得到的溫度數(shù)據(jù)進行對比，以確定環(huán)境風(fēng)洞試驗的準(zhǔn)確性。

1.前言

近年來許多因素導(dǎo)致了乘用車電氣系統(tǒng)和部件數(shù)量大幅增加，其中包括了消費者生活方式愈發(fā)數(shù)字化，使得先進車載信息娛樂系統(tǒng)的需求大增，另外經(jīng)過優(yōu)化的駕駛輔助系統(tǒng)如抬頭顯示、路標(biāo)識別和自動制動輔助等系統(tǒng)，加速了汽車的電氣化進程，人們普遍認(rèn)為在不久的將來，這些趨勢將繼續(xù)增加，因此確保這些電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性是勢在必行的。

做系統(tǒng)設(shè)計時，最重要的挑戰(zhàn)之一是確保這些電氣系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。電子元件的正常工作溫度窗口有限，如半導(dǎo)體結(jié)溫度上限通常為125℃，另外電池的壽命和性能在高溫下會顯著降低。在過去，為了了解這些電氣系統(tǒng)的性能，人們已經(jīng)使用了氣候環(huán)境制造設(shè)施如環(huán)境風(fēng)洞來復(fù)現(xiàn)一些氣候條件嚴(yán)苛地區(qū)的氣候環(huán)境。然而，這種設(shè)施有一些限制，比如位置固定的光照模擬系統(tǒng)無法模擬陽光的變化、設(shè)施內(nèi)壁的二次輻射對測試結(jié)果的影響以及高昂的運營成本等，限制了試驗的內(nèi)容。而基于CAE仿真的方法能夠明確地復(fù)現(xiàn)出真實環(huán)境中的各項條件，為此，本文提出了一種CAE仿真方法來預(yù)測汽車艙內(nèi)零部件的溫度表現(xiàn)。過往的仿真研究工作主要集中在汽車外表面和乘員艙內(nèi)的空氣溫度分布，以預(yù)測空調(diào)系統(tǒng)的性能特性。但是想要準(zhǔn)確預(yù)測艙內(nèi)電氣系統(tǒng)的溫度，那么該仿真模型必須能夠計算通過艙內(nèi)部件所傳遞的熱量，因此，需要準(zhǔn)備更精確的零部件幾何模型及各個材料的屬性。與先前的許多工作不同，本文提出的仿真策略使用了一個獨立的熱求解器，而不需要耦合CFD求解器，所以能夠大大降低計算資源的需求，同時保持較高的精度。

這種高效計算方法的優(yōu)點是，通過賦予正確的邊界條件，與環(huán)境風(fēng)洞試驗相比，可以更準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)真實環(huán)境中所展現(xiàn)出的條件，并且能夠模擬出太陽位置及輻射強度變化時的瞬態(tài)環(huán)境溫度，風(fēng)速和朝向，以及直接太陽輻射和漫輻射對試驗?zāi)繕?biāo)造成的影響。與實車測試相比，仿真計算的成本相對較低，因此可以研究多種工況，以了解艙內(nèi)溫度對氣候條件以及車輛規(guī)格(如油漆顏色和附加配置)的敏感性。

2.仿真方法

本文使用PowerTHERM 12.1作為仿真平臺，所用車輛的幾何數(shù)據(jù)高度細(xì)分，大約分為400個零部件來表示各處細(xì)節(jié)，其中關(guān)鍵部件包括白車身、發(fā)動機、變速箱、車身覆蓋件、保險杠、玻璃以及由座椅、方向盤、儀表板和內(nèi)飾組成的乘員艙，并對車輪進行了一定的簡化。為了優(yōu)化零部件數(shù)量和仿真運算時間，本文將蓄熱相對較低且對乘員艙內(nèi)的溫度分布沒有直接影響的冷卻系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、排氣和懸掛系統(tǒng)等部件進行了省略。所有部件都采用殼體網(wǎng)格建模，具備適當(dāng)?shù)暮穸?、賦予材料和表面特性以便正確捕捉熱特性，對由多種材料組成的部件如車門、飾板等進行適當(dāng)?shù)慕?。網(wǎng)格的尺寸在10到50毫米之間，生成以四面體網(wǎng)格為主的混合網(wǎng)格，最終得到SUV車型的總網(wǎng)格數(shù)量約為50萬，跑車車型(F-Type)的總網(wǎng)格數(shù)量為30萬，如圖1所示。設(shè)計這樣的網(wǎng)格策略是為了更準(zhǔn)確地捕獲零部件的幾何形狀以及更好地捕捉熱梯度。

圖1  F-Type網(wǎng)格模型

玻璃是太陽輻射進入乘員艙內(nèi)的主要路徑，因此在模型建立過程中賦予正確的玻璃屬性是至關(guān)重要的。PowerTHERM能夠?qū)ν该鞑牧线M行建模，但除了一般的體積和表面材料特性(如密度、比熱容、電導(dǎo)率、發(fā)射率和吸收率)外，還需要光學(xué)特性(如反射率和透射率)來定義傳入到乘員艙內(nèi)的輻射量。本文使用的PowerTHERM版本，玻璃的屬性被設(shè)定為光譜平均，這樣的設(shè)定在早期的敏感性研究中得到了證實，該研究強調(diào)了玻璃的性質(zhì)與預(yù)測溫度之間的高度依賴關(guān)系。

為了模擬乘員艙內(nèi)的氣體環(huán)境，本文為乘員艙建立了流體節(jié)點網(wǎng)格模型，乘員艙被詳細(xì)劃分為大約40個零部件并為其設(shè)置相對應(yīng)的參數(shù)。對流方式使用PowerTHERM中的自動模型設(shè)置，速度設(shè)置為0.001m/s來模擬乘員艙的對流情況。自動模型基于網(wǎng)格的表面積的平面公式來假定自然對流與強制對流混合，仿真得到的各單元對流系數(shù)是強制、水平自然對流和垂直自然對流混合的結(jié)果。PowerTHERM對零件內(nèi)的所有元件使用相同的特征長度計算平均努塞爾數(shù)。利用布西內(nèi)近似和仿真過程中氣體分層引起的溫度差來計算節(jié)點與表面之間的流速。

圖2描述了捷豹F-PACE乘員艙的部分空氣節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，其中流體節(jié)點與相關(guān)表面進行了顏色區(qū)分。

圖2  F-PACE乘員艙零部件劃分本文搭建的仿真模型設(shè)計了兩種仿真環(huán)境。其中之一是在蓋登環(huán)境風(fēng)洞中的仿真分析，該環(huán)境具備完整的環(huán)境風(fēng)洞幾何結(jié)構(gòu)，包括噴口，試驗段及觀察窗口，如圖3所示，此外該環(huán)境風(fēng)洞中還具備固定的光照模擬裝置，用來模擬光照對溫升的影響。

圖3  蓋登環(huán)境風(fēng)洞模型示意第二種仿真環(huán)境是模擬真實環(huán)境的表現(xiàn)，在這種情況下，環(huán)境風(fēng)洞的模型被移除，并在汽車模型下方增加一塊地面。在PowerTHERM中，通過邊界條件中的表面特性和中心溫度等參數(shù)，對地面進行設(shè)置。真實環(huán)境下模擬與環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)模擬最明顯的區(qū)別在于，真實環(huán)境下模擬的天氣條件包括環(huán)境溫度、壓力、濕度、太陽輻射強度、云量和降雨量，以及經(jīng)緯度位置和海拔高度，這些參數(shù)隨時間以及太陽位置的變化可以在天氣文件中指定。同時車輛的布置方向是在仿真場景中定義的，因此就具有太陽輻射相對于車輛的大小和方向的不同。為此本文設(shè)置了太陽在一天中穿過天空的路徑，如圖4所示，在這種情況下，晨昏也是需要考慮在內(nèi)的。真實環(huán)境仿真模型根據(jù)太陽方位、濕度、云量和空氣溫度計算出來自天空的長波紅外輻射溫度，這也說明了當(dāng)太陽輻照度為零時，車輛和環(huán)境之間也會通過熱輻射進行熱交換。

圖4 太陽位置變化示意仿真采用并行直接求解，時間步為1分鐘，環(huán)境風(fēng)洞仿真和真實環(huán)境仿真在4個處理器并行計算的情況下，運行時間分別為8小時和16小時。3.試驗方法這部分內(nèi)容介紹了測試艙內(nèi)溫度的試驗方法，本研究進行了兩種不同類型的車輛測試，分別為環(huán)境風(fēng)洞試驗和真實環(huán)境試驗。

3.1環(huán)境風(fēng)洞試驗如前文所述，環(huán)境風(fēng)洞一直是支持研究的良好方案。環(huán)境風(fēng)洞的主要優(yōu)點是它提供了一個可控的環(huán)境，以確保高度的可重復(fù)性和再現(xiàn)性，這在進行不同的設(shè)計方案之間比較時是必不可少的。本研究使用的環(huán)境風(fēng)洞為捷豹路虎的蓋登環(huán)境風(fēng)洞，如圖5所示。風(fēng)洞內(nèi)的溫度和濕度均可控，溫度范圍為?10°C至50°C，并能夠提供高達220 km/h的風(fēng)速。該風(fēng)洞內(nèi)還配備四輪測功機和尾氣抽吸系統(tǒng)，以便支持車輛在一定負(fù)載的情況下評估其各項性能。風(fēng)洞內(nèi)的光照模擬系統(tǒng)由30個全光譜燈組構(gòu)成，它們位于測試車輛的正上方，參考IEC 60904-9標(biāo)準(zhǔn)的世界輻射參考光譜相，該系統(tǒng)能夠模擬所有標(biāo)準(zhǔn)要求的波長波段。蓋登環(huán)境風(fēng)洞定期對設(shè)備進行校準(zhǔn)并監(jiān)測長期變化，以確保結(jié)果的可重復(fù)性。

圖5  環(huán)境風(fēng)洞試驗環(huán)境風(fēng)洞模擬出的環(huán)境條件旨在復(fù)現(xiàn)海灣地區(qū)等熱點市場的極端氣候環(huán)境，本次試驗的流程包括三個階段，首先是浸車以穩(wěn)定乘員艙內(nèi)的溫度狀態(tài)(如圖6中區(qū)域1所示)，車輛放置在沒有太陽光照的特定環(huán)境中。第二階段，車輛在一段時間內(nèi)承受來自光照模擬系統(tǒng)的固定輻照(如圖6中區(qū)域2所示)，這一階段模擬出的太陽輻射強度是按照固定高度給出的，與測試車輛的高度無關(guān)，這就導(dǎo)致了車輛外表面的太陽輻照強度會出現(xiàn)一定的不均勻性，這在真實環(huán)境中是沒有的。用太陽輻射計測量時，發(fā)現(xiàn)SUV車輛的太陽總輻射強度在車頂上的強度要比在發(fā)動機蓋上的強度高約5%。試驗的第三部分是開啟車輛的空調(diào)系統(tǒng)來降低乘員艙內(nèi)的溫度。在這個環(huán)節(jié)內(nèi)，車輛所有電氣系統(tǒng)都打開并處于滿載狀態(tài)，以確保最大程度上的產(chǎn)熱。為了使試驗過程具有可重復(fù)性，本研究采用了一種內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)記錄了整個試驗方法。該標(biāo)準(zhǔn)還發(fā)現(xiàn)了對測試結(jié)果有重大影響的干擾因素，如測試前車輛的預(yù)設(shè)置、車輛在風(fēng)洞中的定位以及第三部分試驗時的通風(fēng)口位置和空調(diào)設(shè)置。

圖6  環(huán)境風(fēng)洞試驗不同階段車輛的溫度狀態(tài)圖6展示了試驗期間乘員艙內(nèi)溫度的變化情況。可以看出，在浸車期間，乘員艙內(nèi)的溫度逐漸達到預(yù)設(shè)環(huán)境溫度，然而，開始光照模擬后乘員艙內(nèi)的溫度升高了近50%，這清楚地說明了太陽輻射對乘員艙內(nèi)溫度的影響。3.2真實環(huán)境試驗為了評估提出的CAE仿真方法預(yù)測真實環(huán)境下溫度分布的能力，需要一個合適的數(shù)據(jù)對照進行對比。真實環(huán)境試驗的挑戰(zhàn)是在試驗過程中可能存在的外部干擾因素的數(shù)量，這反過來又會導(dǎo)致在與仿真模型對比時出現(xiàn)許多問題，因此本文采取了多種措施來控制和最小化任何潛在的干擾因素。由于汽車有著很高的蓄熱性，前一天的天氣狀況會影響第二天的艙內(nèi)溫度分布，因此為了減輕這一干擾，試驗中設(shè)置了一個溫度和太陽輻射強度一致的測試位置，以最大限度地減少在浸車結(jié)束后當(dāng)日氣溫變化的影響。其他考慮的干擾因素是測試地點周圍的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生二次輻射和陰影，對車輛承受光照輻射產(chǎn)生不利影響。另外，大氣中的顆粒物質(zhì)是另一個令人擔(dān)憂的問題，因為它可以在車輛表面形成一層薄膜，導(dǎo)致漆面的發(fā)射率變化以及玻璃的透過率變化。最后考慮的干擾因素是風(fēng)速和降雨，因為這兩者分別會通過對流和蒸發(fā)導(dǎo)致車輛大量的能量消失，從而導(dǎo)致艙內(nèi)溫度的大幅降低，因此避免這些干擾是至關(guān)重要的?；谝陨线@些需求，本文在西班牙南部的伊迪達試驗場選擇了一個區(qū)域。該試驗區(qū)域的主要特點是尺寸足夠大且周圍無建筑遮擋的干擾，滿足設(shè)定的二次輻射和風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)，圖7給出了測試地點的照片。為了獲得穩(wěn)定的溫度和太陽輻射，并將降雨風(fēng)險降至最低，試驗選在8月進行。

圖7  位于西班牙的伊迪達試驗場進行試驗為了在CAE仿真模型中設(shè)置正確的天氣邊界條件，需要對試驗時當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件進行充分收集。首先，為了測量太陽輻射強度，使用了Kipp & Zonen RaZon太陽光照測量系統(tǒng)，如圖8所示，該系統(tǒng)由帶有遮光組件的日照度計和GPS模塊組成。一旦在布置過程中正確定位，該系統(tǒng)就能自動跟蹤太陽在一天中穿過天空的路徑，并分別測量太陽直射輻射和太陽漫輻射強度，然后計算出總太陽輻射強度并作為以上兩個測量值的函數(shù)。數(shù)據(jù)以1HZ的速率存儲在系統(tǒng)內(nèi)部，研究人員可以通過Wi-Fi或以太網(wǎng)連接訪問數(shù)據(jù)。

圖8  RaZon太陽光照測量系統(tǒng)為了收集其他參數(shù)，如環(huán)境溫度、壓力、風(fēng)速和方向，研究人員在車輛上安裝了一個Davis Vantage Pro氣象站，如圖9所示。采用這種方式的原因是根據(jù)以往的經(jīng)驗表明，使用當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁┑臄?shù)據(jù)時，由于這些氣象站的海拔高度問題，提供的環(huán)境數(shù)據(jù)與試驗位置的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)常存在一定的差異，此外在黎明、正午和黃昏時分別用地溫探頭和手持紅外測溫儀測量地面和空氣的溫度。為了進一步減少前面討論的干擾因素，并生成一個全面的數(shù)據(jù)庫，本文給出了一個獨特的測試流程。為了收集一系列不同車型的數(shù)據(jù)，本文測試了兩輛車，其中一輛是捷豹F-Type和一輛捷豹F-PACE。兩輛車的位置相距約15米，距離測試區(qū)域周圍的河岸至少15米，以確保兩輛車之間不受另一輛車產(chǎn)生的陰影所干擾。在記錄測量數(shù)據(jù)之前，兩輛車分別在當(dāng)?shù)丨h(huán)境進行了兩天的浸車。同時，為了了解太陽方位對測試車輛的影響，本文收集了4種不同布置方向下的車輛數(shù)據(jù)，分別為北、東北、東、西，每個方向都重復(fù)記錄兩次數(shù)據(jù)。

圖9  Davis氣象記錄儀3.3測試設(shè)備準(zhǔn)備為了進一步了解車輛內(nèi)部和周圍的溫度分布，兩輛試驗車在環(huán)境風(fēng)洞和真實環(huán)境試驗中均配備了一系列的熱電偶來測量表面和環(huán)境溫度，特別注意玻璃的內(nèi)外部，以確保能夠正確捕捉到太陽輻射的吸收。同樣值得注意的是，為了記錄太陽穿過天空的效果，測試車輛的左右兩側(cè)都放置了許多測量儀器。圖10為部分布置在F-Type上的熱電偶。

圖10  熱電偶布置情況試驗所使用的熱電偶為K型，測量誤差為±1°C。在部件表面可能承受直接太陽輻射的情況下，熱電偶使用高溫聚酰亞胺膠帶連接，膠帶是白色的，以防止膠帶對測量結(jié)果的影響。在預(yù)計不會受到陽光直接照射的區(qū)域，熱電偶使用氰基丙烯酸酯基粘合劑固定，然后用硅酮層保護熱電偶免受物理損壞。環(huán)境溫度的測量是用相同的K型熱電偶進行的，由于熱電偶的表面積非常小，研究人員認(rèn)為不必要對熱電偶進行避光處理，最后使用IPETRONIK數(shù)據(jù)記錄器以0.0167 Hz的采樣率記錄數(shù)據(jù)。4.對比分析為了確保結(jié)果的穩(wěn)定準(zhǔn)確，本文對試驗過程進行了徹底的研究和驗證。同時為了確保該試驗過程適用于各種不同形態(tài)的車輛，研究人員分別對捷豹F-Type和F-PACE在真實環(huán)境和環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)的試驗結(jié)果進行了比較。在真實環(huán)境的試驗中，研究了許多不同的車輛方向，以確保正確測得不同太陽路徑的影響。本節(jié)介紹用于與仿真分析相對照的一小部分?jǐn)?shù)據(jù)。4.1環(huán)境風(fēng)洞對比結(jié)果本節(jié)討論了環(huán)境風(fēng)洞仿真與環(huán)境風(fēng)洞試驗結(jié)果之間的相關(guān)性。圖11描述了試驗過程中太陽照射部分的一些溫度變化情況，并與捷豹F-Type的仿真結(jié)果進行了比較。圖11的第一部分顯示了車輛引擎蓋上的溫度變化。從這一曲線可以看出，試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)之間有很好的一致性，初始響應(yīng)率與CAE仿真具有高度可比性，對最終峰值溫度的預(yù)測略高1.5%。這兩組數(shù)據(jù)之間的良好一致性表明，汽車外表面的輻照情況被正確地預(yù)測。圖11的第二部分顯示了儀表盤頂部的溫度變化情況，在這里我們再次看到試驗和仿真之間的良好一致性，與試驗數(shù)據(jù)相比，仿真結(jié)果的初始溫度上升的更迅速，但兩者達到的峰值溫度是相同的。這將表明進入乘員艙內(nèi)的能量是正確的，乘員艙內(nèi)的部件熱參數(shù)和表面條件設(shè)置是正確的。初始溫升的差異可能是不正確的導(dǎo)熱率，導(dǎo)致仿真模型中有局部加熱情況的出現(xiàn)。圖11的第三部分展示了主駕人員呼吸位置的環(huán)境溫度變化情況，與上述兩個測試位置的情況一樣，PowerTHERM能夠進行準(zhǔn)確的仿真計算，在該測試位置，仿真模型對最終溫度的預(yù)測略低于試驗數(shù)據(jù)約8%。環(huán)境溫度的試驗測試與仿真預(yù)測的良好相關(guān)性表明，在仿真模擬中對對流現(xiàn)象進行了正確的模擬。觀測到的數(shù)據(jù)差異可能是由于大量的太陽輻射照射在熱電偶上，使得試驗測得數(shù)據(jù)與真實情況產(chǎn)生一定的差異，仿真預(yù)測的不足可能是由于流場網(wǎng)格的設(shè)置沒有提供足夠的分辨率來捕捉F-Type乘員艙而造成的溫度分層。

圖11  F-Type仿真與環(huán)境風(fēng)洞試驗結(jié)果對照圖12顯示了捷豹F-PACE的仿真與試驗結(jié)果對比情況。第一幅圖詳細(xì)描述了車輛引擎蓋上的溫度，與F-Type的結(jié)果一樣，試驗和仿真之間的瞬態(tài)響應(yīng)和峰值都具有非常好的一致性，最高溫度試驗和仿真值只有2%的偏差，這也證實了F-Type的結(jié)果，表明車輛表面的輻射被正確捕獲。第二幅圖描述了儀表板頂部的溫度狀態(tài)，該圖表明仿真模型再次能夠預(yù)測由于太陽負(fù)荷引起的瞬態(tài)溫度響應(yīng)以及仿真期間達到的最高溫度，在測試開始時觀察到的最大差異為3%。最后的圖顯示了主駕人員呼吸位置空氣溫度隨時間的變化，對數(shù)據(jù)仔細(xì)檢查后再次得出仿真和試驗結(jié)果之間有很強的一致性的結(jié)論，兩者之間的誤差可以忽略不計。與F-Type相比，環(huán)境溫度相關(guān)性的提高可能是由于F-PACE的乘員艙容積更大，從而降低了與高度相關(guān)的溫度梯度，因此流體網(wǎng)格設(shè)置具有足夠的分辨率。結(jié)合之前為捷豹F-Type生成的數(shù)據(jù)庫來分析，這些結(jié)果表明環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)的仿真可以正確地捕捉艙內(nèi)的環(huán)境溫度。

圖12  F-PACE仿真與風(fēng)洞試驗結(jié)果對照4.2真實環(huán)境對比結(jié)果在證明了CAE仿真能夠準(zhǔn)確地捕捉環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)的溫度分布和時間相關(guān)性后，本文的這一部分將研究真實環(huán)境下的仿真與從西班牙伊迪達試驗場收集的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。圖13顯示了F-Type在24小時內(nèi)的溫度分布，車頭朝向東北方向。第一幅圖顯示了發(fā)動機罩右側(cè)熱電偶的溫度變化，盡管實際瞬態(tài)環(huán)境條件比較復(fù)雜多變，但仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合良好，RMS誤差為4.6℃?？梢钥闯?，在太陽升起前的夜間時段，仿真模型對溫度變化的預(yù)測略有不足，兩者之間存在較小的偏移，CAE仿真滯后于實驗數(shù)據(jù)約10-15分鐘。導(dǎo)致偏差的一個可能原因是用于定義氣候條件的天氣文件的分辨采樣率為30分鐘，這可能導(dǎo)致了長達15分鐘的延遲。同樣地，這也可以解釋CAE仿真模型比真實環(huán)境數(shù)據(jù)更加平滑。與上一節(jié)環(huán)境風(fēng)洞的結(jié)論一樣，CAE仿真能夠很好地預(yù)測車輛外表面的溫度變化，車輛外部的太陽輻射被正確模擬。第二幅圖顯示了副駕坐墊的溫度變化情況，對該圖進行分析得出，兩組數(shù)據(jù)之間總體上具有良好的相關(guān)性，隨著溫度升高，仿真的溫度變化略有滯后，并且過度預(yù)測了大約10%的峰值溫度，均方根誤差為3.4℃。由于材料的導(dǎo)電性差異，皮革表面的溫度梯度可能極高，這反過來意味著這些材料對空間分辨率有顯著的敏感性，因此選擇網(wǎng)格分辨率中的小錯誤可以解釋這里看到的問題。最后一幅圖描述了后視鏡附近的瞬態(tài)溫度分布，與在環(huán)境風(fēng)洞中試驗的結(jié)果一樣仿真模型對溫度幅度的預(yù)測略低約5%，但總體趨勢的準(zhǔn)確性很高，在這種情況下產(chǎn)生了3.8℃的均方根誤差。

圖13  F-Type仿真與真實環(huán)境試驗結(jié)果對照(東北朝向)在圖13和圖14中給出了整個車輛不同朝向的溫度分布，展示了車輛在現(xiàn)場的方向?qū)囟确植嫉挠绊?。在這種情況下對副駕坐墊的溫度狀態(tài)進行對比研究，車輛朝向選取了三個方向分別為東、東北和西。在西向和東北向的情況下，仿真模型的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)之間有很強的相關(guān)性，但在東向的情況下，CAE仿真模型對峰值溫度的預(yù)測存在一定的過度情況。如前所述，這可能是天氣文件時間步長的準(zhǔn)確性和座椅材料的空間敏感性(由于材料的低導(dǎo)電性)?；谶@些結(jié)果可以得出結(jié)論，在跑車類型車輛的情況下，所提出的CAE仿真策略能夠在10%的誤差范圍內(nèi)預(yù)測艙內(nèi)表面和環(huán)境溫度的瞬態(tài)趨勢和幅度，在所研究的情況下的平均RMS誤差為4.96℃，該方法對環(huán)境風(fēng)洞和真實環(huán)境下的預(yù)測結(jié)果均有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

圖14  F-Type副駕坐墊溫度仿真與試驗結(jié)果對照圖15顯示了F-PACE在24小時內(nèi)的溫度變化情況，車頭朝向東北。與F-Type的數(shù)據(jù)結(jié)果相似，第一幅圖展示的發(fā)動機罩表面溫度在真實環(huán)境和仿真之間的趨勢與F-Type的趨勢高度相似，兩者之間有很好的相關(guān)性。與試驗數(shù)據(jù)相比，CAE仿真的結(jié)果再次展示了平滑的變化，一些局部的波峰和波谷沒有完全捕獲。與F-Type的結(jié)果一樣，這可能是由于天氣文件數(shù)據(jù)的分辨率設(shè)置問題，然而，即使天氣文件數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性降低，該模型仍然可以被認(rèn)為是準(zhǔn)確的，均方根誤差為2.9℃。第二幅圖顯示了副駕坐墊表面溫度的變化，仿真模型預(yù)測了瞬態(tài)響應(yīng)及其幅度，與F-Type的變化趨勢相似，在太陽升起階段有大約10-15分鐘的偏移。這將進一步支持這一假設(shè)，即差異的根源是天氣文件數(shù)據(jù)，因為這對兩個仿真來說都是一致的。圖15中的最后一幅圖顯示了后視鏡位置試驗和仿真得出的環(huán)境溫度變化。從圖中可以看出，仿真結(jié)果充分預(yù)測了試驗數(shù)據(jù)的變化，在兩條跡線的波峰和波谷位置上有很好的一致性。跡線前半部分的溫度幅度有較小的偏移，CAE仿真模型對溫度的預(yù)測誤差高達10%。將圖14與圖15進行比較可以看出，這一偏移量與F-Type的結(jié)果中觀察到的趨勢非常相似。圖15研究了在給定方向下整個艙內(nèi)的溫度分布，以理解仿真的處理方式。圖16詳細(xì)描述了不同車輛朝向與單獨朝向?qū)ε搩?nèi)溫度變化的影響。與F-Type的分析一樣，車輛的方向是東，東北和西，值得注意的是副駕坐墊表面溫度，在這三個方向上都可以看到仿真結(jié)果和試驗結(jié)果之間有很好的相關(guān)性，每條跡線的局部波峰和波谷都能被仿真模型忠實地再現(xiàn)。同時可以觀察到在瞬態(tài)響應(yīng)的對照中有一些關(guān)于時間的微小變化，例如仿真中車頭朝向為東部的前半部分結(jié)果滯后于試驗結(jié)果10分鐘。然而，如前所述，這些偏差可能是由于材料的表面性質(zhì)和天氣文件數(shù)據(jù)的分辨率不足造成的。

圖15   F-PACE仿真與真實環(huán)境試驗結(jié)果對照(東北朝向)

圖16  F-PACE副駕坐墊溫度仿真與試驗結(jié)果對照根據(jù)對F-Type的環(huán)境風(fēng)洞試驗和CAE仿真的結(jié)果對比分析可以得出，本文提出的CAE仿真方法似乎正確地捕捉了F-PACE在真實環(huán)境場景中的物理性質(zhì)，與試驗數(shù)據(jù)相比，汽車外表面的輻射、艙內(nèi)表面的傳輸以及艙內(nèi)空氣的對流均表現(xiàn)出正確的預(yù)測趨勢。因此，該模型能夠較好地預(yù)測SUV型車輛的乘員艙內(nèi)溫度。4.3環(huán)境風(fēng)洞與真實環(huán)境結(jié)果對比在充分驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性之后，研究人員繼續(xù)考慮用其來預(yù)測其他真實環(huán)境下車輛的溫度表現(xiàn)。為此，本文模擬沙特阿拉伯利雅得的氣候條件，進行了一套覆蓋北、南、東和西方向的仿真模擬。天氣數(shù)據(jù)來自國際氣象能源計算數(shù)據(jù)庫(IWEC)，根據(jù)最大干球環(huán)境溫度從數(shù)據(jù)庫中選取最壞情況日。在這個案例研究中，捷豹F-Type被選中，因為其乘員艙體積較小，更能體現(xiàn)出艙內(nèi)峰值溫度的最壞情況。圖17描述了四種車輛朝向的峰值溫度仿真預(yù)測結(jié)果，以及從環(huán)境風(fēng)洞中測得的乘員艙內(nèi)一系列位置的試驗結(jié)果。對圖表的分析后可以看到，環(huán)境風(fēng)洞和仿真預(yù)測的真實環(huán)境的環(huán)境溫度結(jié)果之間有很好的一致性，在整個艙內(nèi)觀察到的差異可以忽略不計。

圖17  F-Type環(huán)境風(fēng)洞試驗與真實環(huán)境仿真分析得到的峰值溫度數(shù)據(jù)對比然而，在環(huán)境風(fēng)洞試驗中，車輛外部和內(nèi)部表面溫度都比仿真模擬得出的最壞情況朝向高出大約10%。為了進一步了解環(huán)境風(fēng)洞復(fù)現(xiàn)的環(huán)境與真實環(huán)境的相關(guān)性，圖18展示了環(huán)境風(fēng)洞模擬光照結(jié)束時和在真實環(huán)境模擬時13點30分艙內(nèi)的溫度分布，車頭朝向東方。對比兩者的溫度分布可以看出，環(huán)境風(fēng)洞的氣候分布狀態(tài)與模擬的真實環(huán)境基本一致，其中儀表板和方向盤頂部部分達到了乘員艙內(nèi)的最高溫度。然而，通過更詳細(xì)的分析后看到，在兩者之間，艙內(nèi)座位、中控臺和儲物架上的溫度分布存在差異。由于環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)的光照模擬系統(tǒng)提供的光照載荷是固定垂直的，因此車輛頂部的溫度遠(yuǎn)高于太陽位置移動變化的真實環(huán)境中所測得溫度。將圖11、圖12中的溫度跡線與圖13、圖14、圖15、圖16中的溫度跡線進行比較，可以看出這里使用的環(huán)境風(fēng)洞試驗過程并沒有復(fù)現(xiàn)出乘員艙內(nèi)溫度的瞬態(tài)變化。在圖11和12中可以看到，當(dāng)溫度逐漸接近最大值時，汽車的熱載荷基本是飽和的，然而從圖13到16可以看到，在真實環(huán)境中，溫度在一天的變化過程中遵循一個近似鐘形的曲線。

圖18  環(huán)境風(fēng)洞試驗與模擬利雅得環(huán)境下F-Type艙內(nèi)溫度分布對比總結(jié)根據(jù)上述內(nèi)容可以得出結(jié)論，即本文提出的CAE建模仿真方法能夠模擬各種車型在各種氣候條件下所引起的艙內(nèi)零部件的熱變化情況，該方法能夠預(yù)測溫度的瞬時響應(yīng)和幅度變化，并且能夠穩(wěn)定地復(fù)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)洞和真實環(huán)境下的氣候狀態(tài)，其RMS誤差值通常不高于5℃。另外本文提出了一種表征真實環(huán)境的氣候條件對汽車艙內(nèi)溫度影響的穩(wěn)定方法，通過該方法收集到了一個全面且可重復(fù)的數(shù)據(jù)集，同時也強調(diào)了干擾因素的控制對仿真工作的重要性。最后，從本文給出的對比結(jié)果可以看出，雖然在環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)的試驗中很好地測得了駕駛艙內(nèi)的最大環(huán)境溫度，但是環(huán)境風(fēng)洞熱試驗卻有過度預(yù)測表面溫度的趨勢，并且在固定的太陽光照負(fù)載下所形成的溫度分布情況并不具備代表性，因此盡管環(huán)境風(fēng)洞被證明是開發(fā)汽車艙內(nèi)熱問題的重要工具，但它還原真實環(huán)境氣候條件的能力是有限的。

文獻來源:Palmer, E.W.;Jansen, W.;Palaniswamy, A.;Parfitt, M..Development of a CAE Method for Predicting Solar Loading Impact for Electrical System Performance in an Automotive Cabin[J].SAE Technical Papers,2018

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