汽车空调送风格栅优化与乘员热舒适性改进

唐江明,　谷正气,2,　莫志姣,　文　琪,　张　沙

(1.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; 2.湖南工业大学 机械工程学院,湖南 株洲412007; 3.湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410082)



汽车空调送风格栅优化与乘员热舒适性改进

唐江明1,谷正气1,2,莫志姣3,文琪1,张沙1

(1.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; 2.湖南工业大学 机械工程学院,湖南 株洲412007; 3.湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410082)

摘要:文章综合考虑太阳辐射以及人体散热对乘员舱热环境的影响,以汽车空调风道双叶片型出风口的水平格栅和垂直格栅的角度为设计变量,利用当量温度作为热舒适评价指标,将人体的头部、胸部、左小腿、右小腿的当量温度定义为设计目标;通过设计实验DOE(design of experiment)选取30个样本点,采用Kriging模型建立近似模型,最后利用连续二次规划法(NLPQL)对该近似模型进行优化设计。优化结果表明驾驶员上身部位的当量温度有明显降低,其中头部降低1.78 ℃,胸部降低1.43 ℃,驾驶员的热舒适性得到显著提高;同时也表明汽车空调送风格栅角度对乘员舱内流场及乘员热舒适性有明显的影响,在今后的热舒适性研究中不可忽略。

关键词:空调风道;计算流体动力学CFD;设计实验;连续二次规划法;热舒适性

在汽车驾驶室等相对封闭的环境下,热舒适性对于人体有重要的影响[1]。良好的热舒适性环境能降低司机及乘客旅途的疲劳程度,不仅保证了行驶的舒适性,还确保了安全性。驾驶室内的热舒适性与室内的流场分布有密切的关系,而室内空气的流场分布一定程度上决定于空调出风口的设计[2]。因此,开展汽车空调出风口对乘员舱热舒适性的影响研究是必要的。现在对于汽车燃油经济性的要求越来越高,所以在保证汽车空调制冷能力一定的情况下从汽车空调风道以及出风口进行优化来提高乘员的热舒适性具有非常重要的工程意义。

随着计算机和数值技术的快速发展,一些研究者通过对空调风道中气流的流动进行CFD仿真分析,进而对风道系统提出改进措施的研究,利用CFD方法进行乘员舱热舒适性的研究也较多。文献[3]重点研究出风口风速、风口尺寸和安装位置对乘员舱热舒适性的影响;文献[4]研究了不同的太阳入射角度对乘员热舒适性的影响；文献[5]以空调风道中所加导流片的3个结构尺寸为设计变量,以驾驶员一侧的出风量比例和总出风量为优化目标,对空调风道进行优化改进。但已有的研究大多是凭经验对空调风道系统进行结构上的改进，对乘员舱的热舒适性进行仿真分析时没有将整个空调系统以及出风口考虑在内。

由于空调出风口格栅是通过改变送风方向来影响乘员舱内的气流组织,从而对乘员的热舒适性产生影响,因此在乘员舱舒适性仿真分析中考虑空调出风口的格栅角度是必要的。本文以此为基础,将空调系统和乘员舱作为一个整体，并加入驾驶员模型,利用计算流体动力学软件Fluent对汽车空调风道和乘员舱的气流进行数值仿真;以连续二次规划法NLPQL为优化设计工具,以人体对热相对敏感部位的当量温度为设计目标,建立相关的近似模型,分析了近似模型与实际仿真结果之间的误差,最终对乘员的热舒适性进行分析。

1CFD模型及计算方法

1.1太阳辐射模型

太阳位置由2个角度表示,即太阳高度角β和太阳方位角α。太阳高度角是太阳方向与水平面的夹角,太阳方位角是太阳方向的水平投影偏离南向的角度,示意图如图1所示。

太阳高度角β和方位角α的计算公式为:

β=arcsin(cosφcoshcosδ+sinφsinδ)

(1)

(2)

其中,φ为地球上某点的纬度;h为时角(东经时为正,西经时为负);δ为太阳赤纬。

图1　太阳高度角和方位角示意图

太阳辐射热量的大小用太阳辐射强度I来表示,单位为W/m2。在地球上任一倾斜表面上受到的直射辐射强度和散射辐射强度之和构成了该表面所接受的太阳总辐射强度。

1.2物理模型

以某三厢双排轿车为研究对象,驾驶室内只有驾驶员1人,本文重点研究驾驶员的热舒适性优化问题。利用UG4.0进行建模,由于发动机舱、后备箱以及车轮对车厢内流场没有影响[6],特对物理模型进行简化,简化后的模型如图2所示。

图2　带有人体模型的整车模型

驾驶室内的空调采用4出口式标准汽车空调风道模型,风道结构为对称设计,在UG4.0中建立模型,如图3所示。

图3　带有格栅的空调风道UG模型

图3的4个出风口中,1和4为上身出风口,2和3为全身出风口。本文中出风口结构采用的是应用广泛的双叶片型,它有2套不同方向的、可动的格栅,即水平格栅和竖直格栅。根据该出风口的尺寸以及相关文献对格栅布置的要求,同时为了实现数值仿真,将格栅叶片简化为片体,建立格栅模型。

1.3网格划分及边界条件设置

本文对驾驶室内部整个计算域的网格划分是在前处理软件ICEM中完成的,在划分网格的过程中,考虑到空调风道和整个驾驶室内部的复杂结构,采用非结构化四面体网格。为了保证网格质量,全局网格及面网格大小的设定显得十分重要。网格越小,越能贴合汽车表面,计算精度也越高,但网格太小,又会造成网格数量巨大,计算时间延长,甚至由于计算机硬件的限制无法生成网格。所以在一些比较平整或者曲率比较大的平面,可以适当设定大的网格;在某些尖锐曲面或者曲率较小、参数变化梯度大的平面,应适当减小网格尺寸。网格划分结果如图4所示。

图4　网格划分结果

为了模拟室外温度较高条件下空调的制冷能力,本文模拟的地理位置选择在长沙,时间为6月23日正午12：30,太阳透过率为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·℃/W)。利用Discrete Ordinates辐射模型加入太阳辐射。经计算,此时太阳方位角α和太阳高度角β的理论计算值分别为-10.58°和85.44°,太阳直接辐射强度为707.467 W/m2,漫射太阳辐射强度为273.494 W/m2,地面反射强度为100.053 W/m2。

对送风口统一采用质量流量边界条件,流量大小为0.110 5 kg/s,送风方向为垂直入口平面,出风口的格栅角度由样本点确定,送风口温度为20 ℃,回风口为压力出口,相对压强为p=0 Pa。边界条件设置见表1所列。

表1　边界条件设置

本文对除玻璃外的其他各壁面的热辐射参数中，BC Type选项均设置为不透明壁面,玻璃设为半透明壁面。

发动机舱及与其相连的汽车前部的热力学边界设定为第3类边界条件,即可以同时设定对流及外部辐射边界条件。由于热量是从发动机舱直接传入驾驶室的,所以将发动机的冷却水温度当作自由流温度,并综合考虑发动机体本身以及汽车前壁面与冷却水体之间空间的热阻,将等效壁面换热系数设定为20 W/m2。

对于人体的热力学边界条件,确定起来比较困难。首先,人的高矮、胖瘦、性别、年龄的差异和着装直接影响人体表面热力学边界条件的取值;其次,人体本身为适应环境的自我调节作用无法考虑到数值计算中去,而人体皮肤表面的温度和通过皮肤的热流密度直接决定着人体热舒适性。相关研究表明,采用第2类边界条件较为合理。故本文将人体热力学边界设定为第2类边界条件,设定皮肤表面散热热流密度为20 W/m2。

2优化设计

2.1热舒适性评价

汽车乘员舱是一个微环境,所受的热源众多,而且太阳辐射分布不均,乘员舱内的温度与速度变化梯度大,热环境很不均匀。因此本文中选择当量温度Teq,i作为热舒适性评价指标。当量温度Teq,i包括了传热、对流换热、热辐射以及太阳辐射对人体的影响,同时也能反应出人体的不同部位对温度的敏感度。

首先将驾驶员人体分为16个节段,再分别对不同节段进行热舒适性评价。Teq,i的计算公式为:

其中,i为人体的节段;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;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为汽车乘员舱内部件的温度;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[7]。

2.2设计变量

在UG4.0中对出风口的格栅进行建模。首先根据出风口的高宽比确定主格栅为水平叶片;再根据相关数据对叶片尺寸、叶片数目以及叶片间距的要求规定本文所建立格栅模型叶片数目为6,叶片长为80 mm,宽为30 mm,叶片间距为10 mm。格栅模型及设计参数如图5所示。

图5　格栅模型及设计参数示意图

在驾驶员左侧的上身出风口,根据人机工程学相关数据以及实际物理模型确定其水平格栅相对于初始位置的调节幅度为[-30°,0°],垂直格栅的调节幅度为[-10°,30°]。同理,确定驾驶员右侧的全身出风口水平格栅调节幅度为[-40°,10°],垂直格栅的调节幅度为[-30°,10°]。

4个设计变量如下:α1为上身出风口的水平格栅角度(向上为正),α2为全身出风口的水平格栅角度(向上为正),β1为上身出风口的垂直格栅角度(向右为正),β2为全身出风口的垂直格栅角度(向右为正)。所有格栅无偏转角度，即α1、α2、β1、β2均为0时为初始位置。

采用DOE((designofexperiment))方法中的拉丁超立方方法确定30组设计样本点,做出不同的格栅模型,将其导入ICEMCFD14.0中进行网格划分,最后将网格文件导入Fluent求解器计算得出30组样本数值。在进行目标优化时,选取当量温度作为热舒适性的评价指标;再根据“头凉脚暖”的原则,即驾驶员的头部温度过高会引起头晕、心情躁动,胸部温度过高会使人感觉胸闷、心情烦躁,从而影响驾驶安全性,所以头部当量温度和胸部当量温度的目标权重分配较大,分别为0.4和0.3,左小腿当量温度和右小腿当量温度目标权重都为0.15。 优化问题描述如下:

minf=ω1Teq1+ω2Teq2+ω3Teq3+ω4Teq4,

s.t.α1∈[-30°,0],α2∈[-40°,0],

β1∈[-10°,30°],β2∈[-30°,10°]。

其中,Teq1、Teq2、Teq3、Teq4分别为头部、胸部、左小腿、右小腿的当量温度;ω1、ω2、ω3、ω4为权重系数,分别取0.4、0.3、0.15、0.15。

2.3连续二次规划法(NLPQL)

连续二次规划法(NLPQL)用于解决带有约束的非线性数学规划问题,并假设目标函数和约束条件是连续可微的。序列二次规划法(SQP)是NLPQL的核心算法。将目标函数以二阶泰勒级数展开,并把约束条件线性化,原非线性问题则转化为一个二次规划问题,通过解二次规划得到下一个设计点,然后根据2个可供选择的优化函数执行一次线性搜索,其中Hessian矩阵由BFGS公式更新[8]。

3计算结果与分析

3.1建立响应面模型

对计算出来的30组样本结果采用Kriging模型方法建立近似模型。选取最优样本点的CFD仿真值和近似模型响应值进行验证,其最优点的设计参数值见表2所列。

表2　初始点与最优点设计参数值　(°)

根据最优点建立相应的UG模型进行CFD仿真计算,得出的数值与近似模型得出的结果误差仅为-0.37%、-1.44%、1.11%和-0.03%,见表3所列。由表3可知,CFD的计算值与近似模型的值相差均在2%以内,可信度较高。因此,直接用近似模型的值来代替CFD的计算值是可行的。

表3　最优点仿真值与近似模型响应值对比　℃

3.2优化结果分析

优化前、后乘员舱内部速度流线图如图6所示。由图6可以看出,格栅对汽车空调出风口的送风有明显的导流作用,乘员舱内部流场在优化前、后有明显的区别。驾驶员侧的空调出风口的格栅处于原始角度时,经空调系统送入车室内的冷风集中绕过驾驶员头部送至后排区域,造成冷风与驾驶员没有进行充分的热交换,散热效果不理想,从而造成驾驶员上身部位的体表温度相对较高;优化后的乘员舱内部流场组织更加合理,经空调出风口直接送至驾驶员上半身部位的冷风比例明显增大,这样会使冷风与驾驶员上身部位有更加直接并且充分的热交换过程,从而使驾驶员头部和躯干部位的热量被冷风更多地带走,驾驶员的散热效果比初始条件有明显的提高。

图6　优化前、后舱内速度流线图(下为优化后)

通过Fluent软件仿真得出的人体表面温度分布云图如图7所示。

从图7可以看出,优化后由于驾驶员的上身部分冷风风量比例增大,所以驾驶员头部和躯干部位的温度比优化前有明显降低,人体散热效果得到了改善。

优化前、后设计目标值对比见表4所列。由表4可知,在左小腿和右小腿的当量温度没有升高的情况下,头部和胸部的当量温度显著降低,分别降低了1.78 ℃和1.43 ℃,满足了“头凉脚暖”的原则[9-10],热舒适性得到了提高。

人体各部位热舒适性示意图如图8所示。

图7　优化前、后人体表面温度分布云图(右为优化后)

℃

温度

从优化前、后的对比可知,人体各部位的当量温度都有所降低,在下身部位温度降低很小的情况下,上身部位温度下降明显,其中躯干部位温度大约下降1 ℃,头部温度下降1～2 ℃,显然满足

本文提出的“头凉脚暖”的优化目的,同时驾驶员的人体热舒适性得到了较大改善。

4结论

本文通过流体计算软件Fluent对车室内的热环境进行了仿真计算,综合考虑了太阳辐射以及人体散热的影响,重点研究汽车空调出风口格栅角度对驾驶员热舒适性的影响,在此基础上利用ISIGHT软件对出风口的格栅角度进行优化,优化结果表明车室内的乘员热舒适性得到了明显的改善。具体结论如下:

(1) 建立的响应面模型通过CFD仿真值的验算,误差在2%以内,近似质量非常高,表明可以代替实际的仿真计算分析,提高了计算效率。

(2) 优化后的设计变量参数应用于驾驶员热舒适性分析,驾驶员上身部位的当量温度都有所降低,其中人体对于热相对敏感的头部和躯干部位降低了将近2 ℃,同时车室内的气流组织更加合理,驾驶员的热舒适性得到了明显改善。

(3) 汽车空调双叶片型出风口格栅角度对乘员舱内流场组织及乘员的热舒适性有显著影响。

[参考文献]

[1]谷正气.汽车空气动力学[M].北京:人民交通出版社,2005:5-6.

[2]Kai A, Proksch C, Zipf N,et al.Thermal comfort increase through advanced airflow analysis，SAE Paper 2005-01-2001 [R].SAE,2005. doi:10.4271/2005-01-2001.

[3]Shojaee M, Tehrani F,Noorpoor A,et al. Analysis of vehicle passenger compartment HVAC using simulation,SAE Paper 2004-01-1505[R].SAE,2004.doi:10.4271/2004-01-1505.

[4]江涛，谷正气，杨易，等.太阳幅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):1135-1137,1159.

[5]谷正气,申红丽,杨振东,等.汽车空调风道改进及对乘员热舒适性影响分析[J].重庆理工大学学报,2013,36(8):91-97.

[6]谷正气,孟庆超, 杨易,等.轿车室内流场的数值模拟研究[J]. 系统仿真学报, 2008, 20(7):1700-1702.

[7]靳艳梅,王保国,刘淑艳.车室人体热舒适性的计算模型[J].人类工效学,2005,11(2):16-19.

[8]李伟湘.基于二次规划法的连续体结构拓扑优化方法及其应用研究[D].长沙:长沙理工大学,2010.

[9]Han T,Chen K H. Assessment of various environmental thermal loads on passenger compartment soak and cool-down analyses，SAE Paper 2009-01-1148[R].SAE,2009.doi:10.4271/2009-01-1148.

[10]倪冬香.基于人体热调节模型的轿车乘员舱热舒适性分析[D].上海:上海交通大学,2010.

(责任编辑胡亚敏)

Optimization of vehicle air-conditioning grilles and the improvement of passenger thermal comfort

TANG Jiang-ming1,GU Zheng-qi1,2, MO Zhi-jiao3,WEN Qi1,ZHANG Sha1

(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China; 2.College of Machanical Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China; 3.School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract:By using the horizontal and vertical blades angle of vehicle air-conditioning outlet as design variables, considering the effect of solar radiation and body heat dissipation on the cab thermal environment, and taking the equivalent temperature as thermal comfort index, the equivalent temperatures of human head, chest, left shank and right shank are defined as optimization objectives. An approximate model is built by using Kriging model based on thirty sample points which are selected by the method of design of experiment(DOE). Finally, the approximate model is optimized by using Sequential Quadratic Programming-NLPQL. The result shows that the equivalent temperature of driver’s upper body is reduced obviously, the head temperature by 1.78 ℃ and the chest temperature by 1.43 ℃. The thermal comfort of the driver is obviously improved. It is shown that the blade angle of vehicle air-conditioning outlet has significant influence on the flow field of the cab and the thermal comfort of passengers, so it can not be ignored in the future research on the passenger thermal comfort.

Key words:air-conditioning duct; computational fluid dynamics(CFD); design of experiment(DOE); sequential quadratic programming(SQP) method; thermal comfort

中图分类号:U463.851

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)03-0309-06

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.004

作者简介：唐江明(1990-),男,湖南长沙人，湖南大学硕士生;谷正气(1963-),男,湖南长沙人，博士,湖南大学教授,博士生导师.

基金项目：中央财政支持地方高校专项资金资助项目(0420036017);湖南大学汽车车身先进设计与制造国家重点实验室自主课题资助项目(734215002)

收稿日期：2015-01-17；修回日期：2015-06-11