基于多目标遗传算法的特种车舱室送风系统优化设计

王鹤翔， 毛晓东， 庞丽萍,2， 冯晓晗

(1.沈阳航空航天大学 航空发动机学院， 辽宁 沈阳 110136；2.北京航空航天大学 航空科学与工程学院， 北京 100191)

0 引言

舱室送风系统布局设计是车辆设计的重要部分，是决定乘员、载员热舒适性的关键性因素之一。特种车不同于正常车辆，其用途特殊，且舱室内乘员、载员较为密集，故送风系统布局设计显得尤为重要[1-2]。

近年来，针对飞行器、舰船和车辆的舱室送风系统研究受到了越来越广泛的关注。Liu等[3]分析大型民机在不同气候条件下的几种送风方式，最终确定了一种理想的单通道热环境。Maier等[4]设计一种基于舱室天花板的客舱送风系统，并对乘、载员热舒适性进行了分析。Lee等[5]研究了相同雷诺数下不同送风方式对汽车内部温度场变化的影响。Pala等[6]研究了客车内部送风系统对于车内人员热舒适性的影响。Chang等[7]提出一种针对地铁客舱的新型混合通风方式。Liu等[8]建立全尺寸三层床实验模型，对潜水艇舱室流场进行了优化。目前国内外研究普遍针对建筑、船舶、民用汽车和飞行器等舱室送风系统进行研究[9-15]，而针对特种车辆如军用特种车的研究很少[16]。

为解决某型特种车舱室送风系统的布局及优化设计，本文建立其舱室简化三维模型，选取4种评估函数作为人体热舒适性及送风系统性能的评判标准，结合计算流体动力学(CFD)方法和多目标遗传算法，对其开展仿真优化设计研究。

1 模型建立

1.1 三维模型

为了对特种车在不同送风形式下的舱内气流组织进行仿真计算及分析，对特种车几何模型进行简化处理，删除舱室外部所有细节部件，如发动机、脚踏板等部分。对舱室内部也进行相应简化，去掉方向盘、按钮、灯等细节零件，保留座椅、仪表台等主要部件，但仅保留其外形特征。简化后舱室长4 140 mm、宽2 028 mm、高1 430 mm。采用盒式人体模型，人体尺寸参数根据国家标准GB 10000—88中国成年人人体尺寸50%百分位确定。舱室10人位布局，前舱室两排5人位，座向向前排座。后舱室5人位，沿左右侧壁相对而坐，人椅布局及简化后三维模型如图1所示。图1中同时定义了6个截面，用于后文仿真结果展示。对每位乘、载员设置头部、腹部、左右脚部4个测点，测量乘、载员周围流场参数，作为后文评估函数的计算依据。各测点距离乘、载员表面5 mm，其具体位置如图2所示。

图1 特种车舱室三维模型及截面示意图Fig.1 3D model and cross-sectional diagram of the cabin

图2 乘、载员测点位置图Fig.2 Position of the crew’s measuring points

1.2 网格划分

对特种车舱室三维模型进行网格划分，采用切割体网格，网格基础尺寸50 mm，边界层网格6层，增长比1.2。为更加准确地计算风口周围流场并测量人体周围参数，对送风口、回风口以及乘、载员人体表面周围网格进行局部加密处理。通过网格无关性验证，最终确定网格总数500万左右，各截面网格示意如图3所示。

图3 截面网格示意图Fig.3 Section mesh diagram

1.3 数值计算方法

为提高计算的精度，离散格式采用2阶迎风差分格式。由于舱室空间狭窄，流场流动较为复杂，为保证湍流模拟的准确性，采用Realizablek-ε湍流模型，k为湍动能，ε为湍动能耗散率。采用SIMPLE算法进行流场计算，其利用计算网格把流动区域分为离散的控制体，在每个控制体上建立温度、速度、压力等离散变量的控制方程，把离散的线性方程组线性化来进行求解，保证了计算的精度。

1.4 人体及环境边界条件

人体散热与年龄、性别、温度、衣着及工作强度等因素有关，由于人体本身对周边环境的变化具有自我调节的能力，这一过程非常复杂，因此对人体散热量选取作相应简化，假设其为定值。根据国家军用标准GJB 3991—2000装甲车辆内温度限值中对人体散热量的定义，乘、载员在舱内为坐姿且从事低强度劳动，确定人体代谢率为65 W/m2，夏季服装热阻1.0 clo。送风口总送风量800 kg/h，送风温度 18 ℃，送风速度1.5 m/s。仪表台发热功率参考笔记本电脑确定为200 W。

2 评估函数

本文选取4个函数评估人体热舒适性，从而衡量送风系统优劣，分别为：人体热舒适性指标——预计平均热感度(PMV)、加权温度、空气龄和头足温差。

2.1 人体热舒适性指标PMV

Fanger[17]基于人体热平衡理论，结合大量的人工气候实验建立了著名的PMV热舒适预测评价模型。人体热舒适性指标PMV模型将4个环境因素(空气温度、湿度、风速、平均辐射温度)和两个人体因素(服装热阻、新陈代谢率)综合成一个指标，计算公式如下：

PMV=[0.303exp (-0.036M)+0.027 5]{(M-W)- 3.05×10-3×[5 733-6.99(M-W)-pa]- 0.42×[(M-W)-58.15]-1.7×10-5M×

(5 867-pa)-0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl× [(tcl+273)4-(tr+273)4]-fclhc(tcl-ta)}

(1)

式中：M为人体代谢率(W/m2)；W为人体对外作功(W/m2)；pa为周围空气中水蒸气分压(Pa)；ta为人体周围空气温度(℃)；fcl为人体服装面积系数；tcl为服装外表面温度(℃)；tr为周围环境平均辐射温度(℃)；hc为对流换热系数(W/(m2·K))。

计算过程中取4个测点PMV的平均值。PMV值为0表示理想的热舒适状态，通常PMV值在-1.0 和1.0之间就可以认定满足舒适性要求[18]。

2.2 加权温度

加权温度定义为标定作业区域中心位置空气温度的加权值，加权公式为

(2)

式中：i表示第i个乘、载员；Tdb为作业区中心位置平均温度；TA为作业区人员头部位置温度测量值；TB为作业区人员腹部位置温度测量值；TC为作业区人员脚部位置温度测量值，取左右脚平均值。

2.3 空气龄

空气龄的概念由Sandberg[19]提出，指空气从入口进入室内到排出的时间，反映了室内空气的新鲜程度，可以综合衡量空间内的通风换气效果，是评价空气品质的重要指标，空气龄的计算式为

(3)

式中：τp为测点处的空气龄；cp(τ)表示测点在τ时刻标记气体的浓度；cp(0)表示测点在初始时刻标记气体的浓度。取头部测点的空气龄数值，其值越小，表明空气品质越好。

2.4 头足温差

头部和脚部测点温差的绝对值，计算式为

ΔT=|TA-TC|

(4)

根据国家军用标准GJB 3991—2000规定，为保证舱室内乘、载员感觉正常舒适，乘、载员的头足温差应小于3 ℃。

3 送风系统布局优化

本文首先针对不同的送风系统布局，开展仿真计算分析。结合特种车辆门窗位置、内部结构件和装饰件等具体情况，共设计了5种送风口与回风口的布局形式，如图4所示。图4中，布局1、布局2、布局3均为顶部及脚部左右条缝送风口，回风口形式分别为尾部回风口、侧壁回风口及底部回风口；布局4为顶部前后及脚部左右条缝送风口，尾部回风口；布局5为前舱顶部个人送风口、后舱顶部及脚部左右条缝送风口，尾部回风口。

图4 各送风系统设计布局示意图Fig.4 Layouts of air supply systems

整理仿真计算数据，得出各设计布局下10位乘、载员的平均加权温度、平均头足温差、平均空气龄和平均PMV变化曲线，如图5所示。

图5 5种布局各指标对比图Fig.5 Comparison of indicators of the five layouts

由图5中曲线分析可知：根据GJB 3911—2000规定，在正常舒适情况下，平均加权温度在21～25 ℃之间，各布局平均加权温度相差不大且均处在舒适性范围内，平均头足温差均小于3 ℃，故不将这两个评估函数作为考量送风系统优劣的主要标准。观察5种布局的平均空气龄及平均PMV可得，布局5的平均空气龄最小，面部空气质量最好；布局1的平均PMV最接近0，乘、载员热舒适性最好。进一步比较布局1与布局5，详细分析两个布局中各乘、载员数据可知，布局1与布局5的空气龄标准差分别为4.16 s、19.93 s，表明布局5虽然平均空气龄最小，但其均匀性相比于布局1较差，因此选定布局1为最优送风系统布局。

4 送风系统参数优化仿真

4.1 优化设置

4.1.1 优化变量

为进一步提升舱内乘、载员的热舒适性，基于前节布局1，对送风系统主要参数开展优化仿真。优化变量确定为顶部条缝送风口沿y轴的位置参数、回风口沿z轴的位置参数和顶部条缝送风口的送风角度。考虑到前后舱乘、载员座位朝向不同，送风角度对前后舱乘、载员的影响可能不同，故将左右条缝分为前段和后段，分别设置送风角度。根据特种车门窗等细节部件，确定各参数的可取值范围，最终确定的优化变量如表1所示。

图6 优化流程Fig.6 Optimal procedure

表1 优化变量设置

4.1.2 目标函数

对舱室热环境的评价方法和目标函数的选择十分关键，舱室中乘、载员的舒适性取决于多个变量因素。这些因素相互影响和制约，并在舱室中形成了十分复杂的耦合物理场。这就使得对舱室热环境的评价必须使用多目标函数的方法。本文选用两个目标函数对舱室内热环境进行综合评价，定义如下：

(5)

(6)

式中：j为测点数；φ为一个乘、载员的平均空气龄。

(5)式表示对10位乘、载员平均PMV取绝对值最小。其值越接近0，乘、载员热舒适性越好。

(6)式表示10位乘、载员头部测点平均空气龄的最小值。面部测点空气龄越小，则空气质量越好。

4.1.3 约束条件

约束条件是在解决规划问题时，对于决策方案的各种限制条件。根据GJB 3991—2000规定，在正常舒适情况下人体头足温差应小于3 ℃。因此定义如下约束条件：

max ΔTi<3 ℃

(7)

10位乘、载员头足温差的最大值应小于3 ℃，即每个乘、载员的头足温差均应小于3 ℃。

4.2 优化流程

本文采用多目标遗传算法，每一代种群有5个个体。系统通过仿真计算选择父代中的最优个体并将其直接传入子代种群中。而子代种群的其余4个个体将通过父代个体间的交叉和变异产生，通过约束条件及收敛性准则的限制最终筛选得到帕累托最优解集。多目标遗传算法具有较高的收敛效率[20]，可以快速搜索出最优结果。优化流程如图6所示。

4.3 优化结果

图8 最优设计结果PMV云图Fig.8 PMV of optimal design

图7 优化结果分布图Fig.7 Optimization result distribution

进一步整理平均PMV、平均空气龄、平均头足温差数据如表2所示。由表2中数据可知，各设计点头足温差均小于3 ℃，均满足要求；根据相关规定，舱室内空气龄在小于100 s时乘、载员即为较舒适状态，所选设计点空气龄均处于规定范围内。计算各设计点10位乘、载员头部测点的空气龄标准差可得，设计点89的标准差最小，其值为3.71 s，故点89的舱内空气龄均匀性最好；比较各点的平均PMV值及其标准差，点89均为最小，表明舱室内乘、载员的热舒适性最好。

表2 较优设计点参数比较Table 2 Comparison of better design point parameters

综合以上分析，确定最优设计为点89，对应参数值分别为：顶部送风口位置0.2 m，回风口位置0.375 m，前段送风角度0°，后段送风角度20°。

图9 最优设计结果空气龄云图Fig.9 Air age of optimal design

图8和图9分别展示了最优设计布局参数所对应的PMV和空气龄在6个截面的分布情况。由图8和图9可知，舱内各乘、载员周围的PMV和空气龄分布较为均匀，人体周围各测点PMV的绝对值均小于0.5，满足设计指标要求。

5 结论

本文结合CFD和多目标遗传算法对某型特种车辆舱室送风系统进行了优化设计，综合选取PMV、加权温度、空气龄和头足温差作为评估函数。得到以下主要结论：

1)对送风系统布局优化设计中，比较五种布局评估函数优劣，筛选得出布局1为送风系统较优布局。

2)对送风系统参数优化设计中，采用多目标遗传算法，对布局1中顶部送风口位置、送风角度和回风口位置进一步优化，得出各参数的最优取值。