太阳辐射对乘员热舒适性影响的研究

江 涛, 谷正气, 杨 易, 尹郁琦, 容江磊

(湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙 410082)

0 引 言

随着汽车特别是轿车对乘坐舒适性的要求越来越高,热舒适性越来越受到研发设计人员的重视。良好的热舒适性环境能改善乘坐环境,降低司机及乘客的旅途疲劳度,也有利于行驶安全性的提高[1],因此,轿车乘员舱内的热环境研究是十分必要的。

轿车乘员舱的热舒适性与诸多因素有关,譬如汽车所处的地理位置、日期、时间、天气状况、内饰材料的热属性以及玻璃对光谱的物理特性等。目前的研究主要集中在空调系统的送风口面积和送风流量、座位散热特性和布置等方面[2-5],由于缺乏对太阳辐射工况的详细分析和考虑,往往以90°太阳高度角时的直射工况为参照。该工况下人体所接收的太阳热负荷不一定最大,按照此工况所设计的空调制冷系统就不尽合理。

随着时刻的变化,辐射强度、方位角、高度角等参数均是变化的,因此有必要研究不同辐射工况对乘员舱的影响。本文以某款三厢轿车和驾驶员为研究对象,分析对比了8种辐射工况,结合现有的人体部位热评价机制,得出在63.51°高度角时的工况下人体热负荷量最大,这对空调系统的制冷设计有一定的指导作用。

1 研究对象

本文以某三厢双排轿车和驾驶员作为研究对象,由于发动机舱、后备箱以及车轮对车厢内流场热舒适性影响较小,为减少网格划分时间,故简化处理。车厢、座椅和人体的CAD模型如图1所示。

图1 车厢、座椅和人体的CAD模型

2 数学模型

2.1 基本控制方程

在汽车内流场情况下,空气运动速度比较小,空气密度变化不大,可近似为常数,因此车室内空气可看作三维不可压缩流场,雷诺数相对较小,但是仍然超过了临界雷诺数,因此流场按湍流模式处理,并且为稳态湍流。同时不考虑漏风影响,认为车室内气密性良好。由于太阳辐射和车室内各固面之间的辐射存在,车内为辐射透明介质。

湍流模型种类繁多,通常在对车内流场模拟时应用较多的是RNGk-ε湍流模型[6],因为该模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动,所以在室内流场模拟和气流组织方面有较高的准确性,并且在壁面附近的黏性层中采用了壁面函数法[7]。

2.2 网格划分

网格生成技术是计算流体动力力学(CFD)的重要组成部分,计算结果的精度在很大程度上依赖于所生成网格的质量[8]。本文运用ICEM CFD 10.0来完成网格的划分,如图 2所示,采用Delaunay三角形方法在整个计算流域面生成半结构化网格,同时在乘员和座椅周围进行网格加密,用以提高边界层的计算精度。

图2 网格划分图

2.3 边界条件设置

送风口边界定义为质量流量边界,流量大小为0.134 kg/s,送风方向为垂直入口平面,送风温度为20℃,送风口的湍流耗散率为6%。出风口设为压力出口,相对压强为静压。车体各壁面为混合边界条件。

太阳入射角度示意图,如图3所示。作为极端工况研究,方位角α均取为90°,高度角 β则随着照射时刻的变化发生改变。本文模拟8个工况进行对比,各工况运行环境见表1所列。

图3 太阳入射角度示意图

表1 各工况运行环境

本文模拟的地理位置为我国中部某城市,日期为6月23日,大气透过率为0.8,轿车行驶速度为60 km/h,外部环境温度为40℃,驾驶员衣服热阻为0.5 clo(1 clo=0.155 m2◦K/W),其中驾驶员的活动量为1.3 met(1 met=58 W/m2)。

3 仿真结果分析与热舒适性评价

由于汽车室内空气速度、温度梯度大,太阳辐射不对称,导致室内热环境非常不均匀,因此本文采用Teq(Equivalent Temperature)作为热舒适性评价指标[9]。

将人体分为16个节段,计算每个节段与周围环境的热交换,利用局部热舒适评价指标 Teq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的问题。强迫对流条件下人体第i节段当量温度的计算公式为：

其中,Teq,i为第i节段的当量温度;Ts,i为第i节段的表面温度;vair,i为第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(5.67×10-8W/m2◦K4);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为汽车室内部件的温度;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。

对上述8种工况进行求解后处理,通过(1)式计算的当量温度值Teq来绘制人体热舒适性的温度示意图如图4所示。

图4 人体热舒适性示意图

图4 中带小三角符号的线型是文献[2]给出的舒适范围边界线,其中显示的头部温度比脚部温度大约要低3℃,满足了头凉脚暖的设计要求。

在工况3中,虽然太阳辐射强度是最大的,但由于太阳辐射方向是竖直向下,对人体表面的作用范围并不大,所以其计算出来的当量温度值并不都是最高,基本在舒适度范围以内。工况7中其上半身的当量温度普遍要比工况3中要高,这是因为该工况下太阳辐射作用在人身体上的范围很广,辐射强度也比较大,尤其是对上半身的影响更甚,所以大多部位的当量温度超出了舒适度范围。

工况3和工况7的舱内表面温度分布和人体表面的太阳辐射强度分布如图5、图6所示。从图5可以看出,工况3在正午时室内温度出现最高值,达到329 K,但最高温主要分布在仪表板表面,而工况7温度虽然略下降,但人体温度分布反而更高。从图6可以看出,工况7下人体上半身所接受的太阳辐射的区域要明显多于正午时的工况3,验证了图4的曲线趋势。因此,有必要在进行空调制冷系统设计时以工况7的情况为参考。

图5 不同工况下轿车表面温度分布

图6 不同工况下人体表面的太阳辐射强度分布

4 结束语

本文通过数值模拟得出,不同的太阳入射工况对乘员热舒适性有很大影响。在模拟该车室内热舒适性时,以太阳辐射为竖直方向照射,人体各部位当量温度大部分都在舒适范围以内,而当太阳辐射是以63.51°倾斜照射时,人体各部位当量温度大都超出了舒适范围。在进行空调系统设计时,除了考虑所处的地理位置、车身乘员舱的设计等因素外,还应该考虑多个太阳高度角工况对热舒适性的影响,而不能仅仅以辐射强度最大时的直射工况为依据。

[1]谷正气.汽车车身现代技术[M].北京：机械工业出版社,2009：301-302.

[2]于学兵,车艳秋.车门缝隙对车室内热环境影响的数值模拟[J].机械设计与制造,2010(5)：133-135.

[3]熊可嘉,王 伟,张万平.轿车热环境模拟及风口面积对乘客舒适性的影响[J].制冷技术,2009,37(1)：32-36.

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[7]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社,2004：124.

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