基于人体热舒适性的装甲车辆舱室空调送风角度优化

吴亚楠, 刘晓峰, 李 平, 柴渭莉, 王学友, 朱耿溪

(兵器工业卫生研究所, 中国兵器工业集团公司人-机-环境重点实验室, 西安 710065)

装甲车辆舱室空间狭小、结构复杂、相对封闭,内部人员体力劳动强度高,舱室内部温湿环境严重影响乘载员作战效能的发挥,是典型的人-机-环境工程问题。装甲车辆空调能够提供舒适的舱内环境,提高乘载员工作效率,这对提高装甲车辆的战斗力具有重要的作用。空调送风角度直接影响乘载员整体及局部舒适感,角度不佳引起乘载员反复调节、局部不适导致精力无法集中、干扰作战等现象,且空调需要消耗装甲车辆的部分动力资源,影响装甲车辆的机动性,降低了装甲车辆的生存能力,因此,需综合考虑舒适性和低能耗,对装甲车辆空调送风进行优化设计。

装甲车辆舱室内部,气流组织形式的好坏直接决定着室内空气的温度、相对湿度和调温速度、空气洁净度等是否符合乘载员作训的空气环境要求,决定着达到同样制冷效果的能效。因此,以复杂作训环境下乘载员热舒适性为目标,开展装甲车辆舱室内部空调送风形成的舱室气流组织是人机工程设计的重要内容,有效通风和合理的气流组织对于改善舱室内空气品质,有效提高装甲车辆人-机整体的作战效能具有重要意义。袁修干[1]教授早期建立了驾驶员和座舱系统的换热模型；韩玉阁等[2]详细进行了装甲车辆空调热负荷计算；刘蔚巍等[3]进行了人体热舒适性评价的客观指标研究。很多高校和机构均对民用车辆空调送风进行了优化研究[4-11],但是装甲车辆内部结构复杂,作业环境特殊,多因素相互影响,基于人体热舒适性的装甲车辆舱室特殊环境的空调送风优化研究较少。

利用人-机-环境工程测试数据,建立装甲车辆典型工况舱室数学模型,通过计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)流体数值模拟软件,以人体热舒适性、舱室内部温度场、速度场为参考进行空调送风条件下装甲车辆舱室内部气流组织评估,寻找典型工况下的空调优选送风角度。

装备空调的目的是用人为的办法在舱室内营造一个使乘载员感觉舒适的环境,不会让反复调节操作、流汗、脱水等环境原因影响乘载员的正常作战,同时对装备性能没有明显负面影响。根据提高乘载员持续作战能力的目标,基于已验证计算模型,进行空调送风角度、送风温度、风速、人员近体温度、人体热感觉指数综合计算分析,寻求优化的气流组织形式。

1 模型建立

1.1 物理模型

为了对装甲车辆在空调送风条件下舱内气流组织形式进行研究,选定某装甲车辆进行简化,建立模拟物理模型,如图1所示,舱室内部热源简化处理为一个大的传热源1 036 mm×2 982 mm×1 357 mm,通过热源向、以及散热壁面散发的热量来提供舱室内环境的负荷,以舱室外温度为 38 ℃,壁面温度48 ℃为例进行计算,送风采取乘载员工位送风,经前期分析计算,送风温度为18 ℃可以较好地满足此热负荷下的降温需求,故设定送风温度为18 ℃,送风速度为7.9 m/s,送风口尺寸为40 mm×60 mm,人体散热量140 W。采用矩形自适应网格,对人体周围及空调送风位置进行网格细化划分。

图1 车体模型Fig.1 Vehicle body model

1.2 数学模型

装甲车辆内部为湍流流动过程,很难精确地模拟舱室内部三维湍流流动,为简化问题,需忽略对室内流场影响较小的次要因素,做如下假设:舱室内空气为低速流动,视为不可压缩流体；空气在舱室内部是稳态流动；忽略能量方程中由于黏性作用引起的能量扩散；不考虑车门、舱室壁面等的微小缝隙,认为舱室内部气密性良好。

根据以上的假设,数学模型采用k-ε湍流模型。模型的基本方程包括连续性方程、动量方程、湍流动能(k)方程及湍流动能耗散率(ε)方程。

(1)连续性方程:

(1)

(2)动量方程:

(2)

(3)能量方程:

(3)

(4)k方程:

(4)

(5)ε方程:

(5)

2 边界条件

模拟采用CFD软件进行数值模拟,各边界条件设置如下:入口边界条件定义为速度入口,湍流强度为5%出口边界条件定义为自由流出固体壁面:模拟内部热源为真实壁面,由表面产生热流。

基于前期计算结果及装甲车辆舱室内部人员大体力劳动强度,送风温度设为18 ℃,选取最常用送风角度,同时对向上向下分别作角度延伸调整,代表性选取水平向下45°、水平向上45°、水平向下80°3个送风角度进行向上与向下送风形式的仿真分析。

3 结果分析

装备空调的目的是用人为的办法在舱室内营造一个使乘载员感觉舒适的环境,不会让颤抖、流汗、脱水等环境原因影响乘载员的正常作战,同时对装备性能没有明显负面影响。根据提高乘载员持续作战能力的目标,基于已验证计算模型,用CFD仿真分析与设计系统进行空调送风角度、送风温度、风速、人体热感觉指数综合计算。

采用所建计算模型,进行试验同等条件下数值模拟,得到结果如表1所示。

表1 舱室内温度试验结果和模拟结果Table 1 Calculation result and test result of cabin temperature

仿真模拟结果中驾驶员位区域的温度范围吻合良好,最大误差不超过7.15%,说明建立的舱体计算模型是可靠的,可以利用该模型对舱内空调进行优化设计数值模拟。

为了能够清楚描述舱室内气流组织的变化,分析不同送风角度的影响,选取垂向剖面及乘载员近体进行在送风角度水平向下45°、水平向上45°、水平向下80°的速度矢量、温度分布及人体热舒适度进行分析。其中,热舒适度表征参数为平均热感觉指数(predicted mean vote，PMV),表征人体热感反应的评价指标,以人体热平衡基础以及生理学心理学主观感觉的等级出发,考虑了人体热舒适感诸多因素的全面评价指标。PMV指数在-3～+3,-3、-2、-1、0、1、2、3表征的热感觉分别为冷、凉、微凉、适中、微暖、暖、热,一般情况下PMV指数在-1～1表示环境热舒适性较好。

3.1 水平向下45°送风

仿真分析从最常用送风角度水平向下45°开始空调送风角度下舱室内部气流组织模拟,研究送风角度对装备内部环境控制的影响,主要从乘载员近体风速、近体环境温度、舱室内部流动迹线及乘载员热感觉进行研究。

3.1.1 人员近体风速

出风水平向下45°时,冷风与人体腿部及腹部最先接触,气流向下环绕人体周围。如图2所示,驾驶员和载员腿部位置表面风速相对较高,炮长位置冷风未直接接触人体,从后方环绕过来。

3.1.2 人员近体温度

出风角度对气流的直观影响,带动乘载员近体温度变化。空气流速高的地方冷空气快速置换热空气,使得人体周围温度相对较低,而人体周围空气回流部分温度较高。乘载员近体流体均较为凉爽,温度整体分布在19.8 ℃左右,驾驶员及后排人员由于送风方向的导流作用,下肢温度相对较低,这在驾驶员及后排载员的位置体现的较为明显，如图3所示。

3.1.3 流动迹线

出风角度为向下45°时,来自风道的气流大部分沿出风方向吹向驾驶员膝盖位置,后沿腿部流向下肢部位,腹部往下部分较为凉爽；部分气流绕过驾驶员流向后排人员,和驾驶员脚部位置向后冷气汇合,冷气包围后排乘员,使得两名乘员均处于较为凉爽的环境温度范围，如图4所示。

战斗舱位置气流从后面流出,向下45°流向战斗舱前方,绕过人体后与车体接触反向向上流向炮长车长,流体温度比风道出口处略高,流速也较为缓和,很好的起到环境控制的作用。载员舱风道出口气流走向同驾驶员舱类似,吹向载员腿部,但此处空间相对开阔,载员舱气流出风口分布较多,冷气随出风方向流向两侧载员,环绕载员舱,气流扩散较驾驶员好。

3.1.4 PMV

调节送风角度来满足乘载员热感觉,以人体热感觉指数PMV为优化指标进行分析。如图5所示，驾驶员位置人体大部分处于舒适范围,但在直接风速略大的腿部及脚部,PMV超过-1,处于凉爽与稍感觉冷的边界位置,此时冷热感觉与人体的做工多少有关；炮长和车长位置空气控制良好,两者热感觉在-0.8～0.9范围内,均处于非常舒适的状态；前排载员位置受战斗舱过来空气影响,气流未直吹人体,人员体感舒适,后排载员由于气流直吹,体感略微偏冷。

图5 水平向下45°送风人体热舒适图Fig.5 PMV diagram of downward 45° air supply

水平向下45°送风,可以保证舱室内人体周围温度有效降低,但存在驾驶员及后排载员局部风速过大,容易产生不适,影响乘载员正常任务执行。

3.2 水平向上45°送风

3.2.1 人员近体风速

出风水平向上45°时,冷风直接打到舱体内部天花板上,气流沿天花板继续前进,前进一段距离随着重力及壁面形状影响向下环绕人体周围。如图6所示,驾驶员位置气流组织合理,能很好地将驾驶舱人员包覆,两者不会感觉到明显的吹风感，却很凉爽；炮长位置冷风未直接接触人体,从后方环绕过来,也可以很好地将两者包覆；载员位置流场控制良好,同样可以很好地起到空气调节与控制的作用。

图6 水平向上45°送风风速Fig.6 Wind speed of upward 45° air supply

3.2.2 人员近体温度

出风角度对气流的直观影响,带动乘载员近体温度变化。空气流速高的地方冷空气快速置换热空气,使得人体周围温度相对较低,而人体周围空气回流部分温度较高，如图7所示。乘载员近体流体均较为凉爽,温度整体分布在20.04～24.52 ℃,驾驶员及后排人员近体相对温度较高,达到23.7 ℃左右,这是因为发动机舱散热及设备散热导致,但人体周围温度分布均匀,温度也在舒适范围内；炮长车长位置温度分布均匀舒适；载员舱空气出口较多,在送风角度的导流作用,人体周围温度控制在21.4 ℃以下,气流沿顶部先到人体后方,故人体后侧和椅背接触的地方先凉爽下来。

图7 水平向上45°送风人员近体温度Fig.7 Near body temperature of upward 45° air supply

3.2.3 流动迹线

出风角度为向上45°时,来自风道的气流大部分沿舱室天花板向后流去,前进一段距离后,在重力及壁面形状影响下下落,环绕在人体周围，如图8所示。驾驶员、车长、炮长及载员均能很好地被出风气流包裹,没有气流直吹的局部不适感,但周围凉爽舒适。

图8 水平向上45°送风流动迹线Fig.8 Flow trajectory diagram of upward 45° air supply

3.2.4 PMV

出风角度水平向上45°时, PMV绝对值不超过0.71,舱室内全体乘载员均处于舒适范围,无局部不适感，如图9所示。周围大功率发热的条件下,驾驶员舱人体最为舒适,战斗舱及载员舱无大功率发热装置,且吹风口相对较多,人员同样处于舒适状态。

图9 水平向上45°送风人体热舒适图Fig.9 PMV diagram of upward 45° air supply

出风角度为向上45°设置,驾驶员、车长、炮长及载员均能很好地被出风气流包裹,没有气流直吹的局部不适感,但周围凉爽舒适,流场得到很好的控制,乘载员均处于较为凉爽的舒适环境温度范围。

3.3 水平向下80°送风

3.3.1 人员近体风速

出风角度水平向下80°时,冷风直接打到舱体内部地板上,气流沿地板继续前进,和其他方向气流汇合后改变方向。如图10所示,驾驶员位置气流沿地板向后排人员流动,在驾驶舱后部与来自战斗舱方向的气流正面交锋,两股气流同时改变方向向上运动,各自回流至原来区域,调节驾驶员及车长炮长周围空气温度; 载员舱气流打到底板后延底板运动,碰到壁面后折返向上运动,调节载员舱温度。

图10 水平向下80°送风风速Fig.10 Wind speed of downward 80° air supply

3.3.2 人员近体温度

水平向下80°送风人员近体温度最高不超过28.1 ℃,相对水平向上向下45°来说温度较高。驾驶舱由于其他设备的传热影响温度较高,战斗舱内人员近体温度最为舒适,而载员舱人体周围温度在21.5 ℃附近,较为凉爽，如图11所示。相同送风量和送风温度条件下,水平向下80°人员近体环境温度下降最少,但温度分布均匀,没有局部过热和局部过冷的情况,经过一段时间空气运动才能使乘载员处于舒适的环境温度范围内。

图11 水平向下80°送风人员近体温度Fig.11 Near body temperature diagram of downward 80° air supply

3.3.3 流动迹线

出风角度为向下80°时,来自风道的气流大部分沿舱室地板向后流去,前进较长段距离后,根据壁面形状变化改变方向,运动大圈后环绕在人体周围如图12所示。驾驶舱和战斗舱位置气流相对整齐,载员舱空气流动剧烈。驾驶员、车长、炮长及载员均能很好地被出风气流包裹,没有气流直吹的局部不适感,但周围温度舒适。

图12 水平向下80°送风流动迹线Fig.12 Flow trajectory of downward 80° air supply

3.3.4 PMV

出风角度水平向下80°时,经过气流组织扩散和热量传递,人体热感觉值最小为-0.54,最大为0.62,舱室内全体乘载员所处环境达到舒适温度范围,无局部不适感，如图13所示。

图13 水平向下80°送风人体热舒适图Fig.13 PMV diagram of downward 80° air supply

相同送风角度和送风温度条件下,送风角度水平向下80°时,温度调节速度相对慢一些,空调送风经过很长的路线才到达人体,而且气流运动方向和舱室内部结构直接相关,气流组织形式不及水平向上45°送风。

4 结论

出风口向下45°设置,可以保证装备内部前后乘载员周空气较为新鲜,舒适度较好,但在出风与人体首先接触点在膝盖上,易导致人员关节不适；出风口向下80°设置,温度调节速度相对慢一些,空调送风经过很长的路线才到达人体,而且气流运动方向和舱室内部结构直接相关,气流组织形式不及水平向上45°送风；出风口向上45°设置,驾驶员、车长、炮长及载员均能很好地被出风气流包裹,没有气流直吹的局部不适感,但周围凉爽舒适,流场得到很好的控制,乘载员均处于较为凉爽的舒适环境温度范围。

出风口角度水平向上约45°为推荐角度,气流组织合理,既能够保证装备内部乘载员近体环境温度合理舒适,又没有产生局部不适感,且冷量利用率最高,是满足装甲车辆内部大热源、结构紧凑、气流组织复杂条件下的推荐送风角度。