某A级车乘员舱舒适性的影响因素研究

李四旺，冯鸿飞，汪轲

某A级车乘员舱舒适性的影响因素研究

李四旺，冯鸿飞，汪轲

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

汽车空调舒适性的影响因素众多，运用CFD技术对乘员舱舒适性影响因素进行研究，分析不同出风口风速、不同出风口风温及太阳辐射对于乘客舒适度的影响，从而对空调系统的设计和自动空调的标定提出建议。

舒适性；自动空调；风速；风温；太阳辐射

引言

随着汽车工业的发展，汽车上的通风与空调已经成为必备设施。汽车空调的目的是为了在任何气候和行驶条件下，能够为乘员提供舒适的车内环境[1]。汽车空调舒适性的影响因素众多，试验成本很高，时间周期长，人工投入巨大。现阶段随着CFD技术的发展，可以很好的将CFD技术应用到乘员舱舒适性中，可以对乘员舱气流的速度场和温度场进行模拟[2-3]，从而指导车型的开发。

本论文通过简化某A级车整车模型，引入人体热舒适性模型，研究出风口风速、出风口温度及不同太阳辐射乘员舱的速度场和温度场，对人体的舒适性进行评价，对于空调系统的开发设计和自动空调的标定具有很好的指导意义。

1 模型方案

1.1 物理模型建立

图1 某A级车乘员舱全尺寸简化模型

采用某A级车乘员舱全尺寸模型，对模型进行简化处理。在模型中提取车室内表面，保留主要部件，忽略尖锐转角以及台阶缝隙，确保温度场和速度场的真实性[4]简化后的模型如图1所示。

1.2 网格模型

本文采用HyperMesh对模型进行面网格划分，导入STAR-CCM+中生成体网格设定边界条件进行计算。整车是选用适用性更好的面网格，对于通风系统、人体模型等重点位置进行网格的细化以及重点区域的检测。

体网格选用多面体网格，多面体网格属于非结构化网格，适用于形状复杂的几何模型[4]，最终得到124万体网格。

1.3 边界条件设定

在仿真模拟计算的过程中必须尽可能的使壁面边界条件符合实际的情况，这样做才可以使得计算结果比较准确。在仿真计算时需要将车室表面的传热情况进行简化，将车室表面合并成一个整体的面，简化后的车室表面传热模型与车室表面的实际情况存在差异，但是和实际模型有基本相同的传热效果，可以得到比较理想的仿真计算结果[5]本文车体壁面平均传热系数等效为为1.1W/m²K，同时车体内壁为无滑移边界条件。

本模型的入口边界设置为吹面风道的入口处。对进风口的温度和速度值做了简化和近似。调整最佳出风口角度，然后分工况进行空调最大降温试验仿真，环境温度为38°C，相对湿度设置为50%，太阳辐射选取夏季三亚地区不同时间点的太阳辐射，设置不同出风口风速和风温。出口边界设置为标准大气压。

1.4 湍流模型

乘员舱内流场的模拟仿真过程中，选取应用比较广泛的Realizable k-ε模型，以达到最真实的模拟仿真计算结果。采用隐式求解器进行非稳定求解，时间步长为0.1s，最大迭代步数为20步[6]，总物理时间为1800s。

2 分析结果

2.1 出风口风速的影响

为研究出风口风速的影响，设定送风温度为10℃，太阳高度角定为三亚地区中午12点太阳高度角。出风口风速的变化设置了5个工况：6m/s、5m/s、4m/s、3m/s和2m/s。

图2 不同出风口风速下乘员舱温度特性

从计算结果图2和图3可知，五种工况，风速越高，车室内的平均温度越低，因为是吹面模式，脚部的气流流动较差，脚部的温度受到送风风速的影响较小。当出风口风速是3m/s时，即整车风量在180m³/h，大约为鼓风机的两挡风，待整个车室温度稳定后，头膝足温度相差最小，建议自动空调标定时，车室内温度降低到理想温度时，定义车室内自动空调的风量为两挡风。

图3 不同出风口风速下的乘员舱速度场

2.2 出风口温度的影响

为研究出风口温度的影响，设定出风口风速为5m/s，太阳高度角定为三亚地区中午12点太阳高度角。出风口温度的变化设置了5个工况：8℃、10℃、12℃、14℃和16℃。

图4 不同出风口温度下乘员舱温度特性

图5 不同出风口温度下的乘员舱温度场

从计算结果图4和图5可知，五种工况，出风口温度越低，车室内的平均温度越低，空调吹面模式，出风口每降低2℃，车室内平均温度降低1℃左右，且头部平均温度的降低幅度＞膝部平均温度＞脚部平均温度。不同的出风口温度导致不同的车室平均温度，建议自动空调标定时，根据用户设定的温度值，调整出风口的温度，以达到用户的需要。

2.3 太阳辐射的影响

为研究太阳辐射的影响，设定出风口风速为5m/s，出风口温度为10℃，太阳辐射变化设置了3个工况：三亚地区中午10点太阳辐射、三亚地区中午12点太阳辐射和三亚地区中午14点太阳辐射。

图6 不同太阳辐射下乘员舱温度特性

图7 不同太阳辐射下的乘员舱温度场

从计算结果图6和图7可知，三种工况，太阳辐射越低，车室内的平均温度越低。乘客乘坐在乘员在不同位置，太阳辐射经过前风挡玻璃影响前排乘客的舒适性比较明显，导致前排乘客的头部温度大于后排乘客的头部温度。建议自动空调标定时，根据阳光传感器检测到的太阳辐射值，相应的增大出风口的风量，减小出风口的温度，以达到乘客舒适度的要求。

3 结论

通过对不同出风风速、出风温度和不同太阳辐射对车室内温度场和速度场的研究，可以得出以下结论：

（1）空调的出风风速影响车室内舒适度，自动空调的两挡风应为车室稳态之后的最佳风量。

（2）空调的出风口风温降低2℃，车室内的平均温度降低1℃左右。

（3）太阳辐射对于前排乘客的舒适度影响比较明显，太阳辐射较强时，前排乘客的头部温度大于后排乘客的头部温度。

[1] 闫雄才,陈江平.汽车空调实用技术.北京:机械工业出版社,2003, 229-230.

[2] 文妙妙.车室内流场和温度场的仿真模型和试验研究[D].西安:长安大学,2007,1-2.

[3] 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.

[4] 王靖宇,薛超坦,胡兴军等.基于空调送风参数的车室内流模拟[J].吉林大学学报（工学版）,长春:吉林大学,2016.

[5] 孟庆超.汽车车室内流场与汽车空调品质研究[D].湖南:湖南大学硕士学位论文,长沙:湖南大学,2007,34-35.

[6] 李珊珊,李明,杨帆等.某机车驾驶室舒适性研究:高等学校工程热物理第二十一届全国学术会议,2015.

Study on Influencing Factors of A Class Vehicle Passenger Cabin Comfort

Li Siwang, Feng Hongfei, Wang Ke

（GAC Automotive Research & Development Center, Guangdong Guangzhou 511434）

There are many factors influencing the comfort of vehicle air condition. CFD technology is used to study the factors influencing the vehicle passenger cabin comfort. This paper analyzes the influence of different air outlet wind speed, air temperature and solar radiation on passenger comfort, and puts forward some suggestions for the design of air conditioning system and the calibration of automatic air conditioning.

Comfort; Automatic air conditioning; Air outlet wind speed; Air temperature; Solar radiation

U463.85+1

A

1671-7988(2019)18-145-03

U463.85+1

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1671-7988(2019)18-145-03

李四旺（1988.9-），男，汉，本科，热管理工程师，就职于广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，研究方向为整车热管理。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.048