基于PMV-PPD的装载机驾驶室热舒适性分析

王亚龙,张喜清,张浩杰

(太原科技大学 机械工程学院,太原 030024)

保证装载机驾驶室内适宜的热环境可缓解驾驶员疲劳,改善心情,从而提高工作效率。国内外学者利用CFD技术对驾驶室热舒适性的研究较多。Fanger[1]教授提出了PMV-PPD整体热舒适性评价指标,将其细分为-3～0～+3七个阶段进行评价;吕鸿斌[2]基于内流场对轿车乘员舱进行热舒适性分析,研究了送风温度对人体热舒适性的影响;周胜[3]利用 PMV-PPD和PD(吹风感)研究乘员舱内驾驶员的热舒适性,并分析第二类和第三类边界条件对人体表面温度的影响;张炳力[4]结合PMV-PPD和空气龄指标对轿车乘员舱热舒适性进行分析,通过改进出风口位置,提高车室内的热舒适性;目前,国内有关热舒适性的研究大多针对轿车和小型货车[5],虽然对装载机驾驶室有一定的借鉴意义,但装载机的工作环境、车室的结构布置、风道设计等方面与轿车、货车有很大不同。

本文以龙工855型号装载机驾驶室为研究对象,运用FLUENT软件对驾驶室温度场和速度场进行仿真计算,利用UDF编程将热舒适性指标进行可视化处理,得到人体表面PMV-PPD的分布规律,来评价驾驶室的热舒适性。

1 热舒适性评价指标

根据美国供暖空调工程师学会标准规定[6]:热舒适性是人体对热环境的满意程度。有关车室内的热舒适性指标有很多,比如当量均匀温度、整体热感觉偏差和标准有效温度等。本文利用热舒适性评价指标PMV-PPD,综合考虑了空气温度、空气湿度、空气流速、平均辐射温度、人体活动量及衣服热阻6个因素。

1.1 PMV-PPD热舒适性指标

依据ISO7730标准,当PMV在(-0.5,0.5)内、PPD<10%时,人体感觉比较舒适;当PMV=0,PPD=5%时,人体为最佳舒适状态[7]。目前,PMV指标代表了对同一热环境绝大多数人的冷热感觉,应用最为广泛,PMV计算公式如下:

PMV=(0.303e(-0.036M)+0.028){(M-W)-

3.05×10(-3)[5733-6.99(M-W)-Pa]-

0.42(M-W-58.15)-1.7×10(-5)M·

(5867-Pa)-0.0014M(34-Ta)-3.96×10(-8)·

fcl[(Tcl+273)4-(Tr+273)4]-fclhc(Tcl-Ta)}

(1)

式中,M表示新陈代谢率(W/m2),W表示人体输出功(W/m2),Pa表示水蒸气分压(kPa),Ta表示局部空气温度(℃),fcl表示穿衣人体和裸体表面积之比,Tcl表示着衣外表面温度(℃),Tr表示平均辐射温度(℃),hc表示对流交换系数(W/(m2·K).

根据人体对冷热的感知程度,可将PMV值从-3(冷感)～0(中性感受)～+3(热感)划分为7个阶段。评价等级如表1所示。

表1 PMV评价等级

即便大多数人对当前的热环境满意,但由于人与人之间生理等方面的不同,仍会有人感到不满意,由此提出热环境下的预测不满意率PPD,PPD代表对一特定热环境感到不适人员的比例。PMV与 PPD的数学关系式如下:

PPD=100-95e[-0.033 53PMV4-0.217 9PMV2]

(2)

2 模型的建立与边界设定

2.1 数学模型

在研究中,采用数值计算来模拟驾驶室内流场的分布,由于车室内空气流速较低,可假设室内空气为不可压缩气体,计算流体力学的基本控制方程如下:

(1)连续性方程

(3)

式中,ρ为密度,t为时间,ux为速度矢量,ux,uy,uz分别为X,Y,Z三个方向的分量。

(2)动量方程

(4)

(5)

(6)

式中,p为微元体上的压力,τxx,τxy和τxz是因分子粘性作用而产生在微元体表面上的粘性应力τ的分量,微元体表面X,Y,Z三个方向的应力张量fx,fy,fz是微元体受到的体积力。

(3)能量方程

(7)

式中,E为流体团的总能(J/kg),包括内能、动能和势能之和,E=h+p/p+u2/2,h为焓(J/kg),hj为组分j的焓(J/kg),其中,Tref=298.15 K,keff为有效传导系数(W/m·K),keff=k+kt.kt为湍流热传导系数,Jj为组分j的扩散量,Sh包括化学反应热及其他用户定义的体积热源项。

(4)Realiablek-ε模型

(8)

(9)

式中,Gb是浮力产生的湍动能,ut为湍流粘度,σk和σε表示湍动能和湍动能耗散率的普朗特数。

2.2 物理模型

车室内复杂的零部件对流场流动有较大影响,建模中要体现驾驶室总体结构特征,对空气流动和热舒适性影响小的部分作如下简化:

(1)简化送风口和出风口为平面,保留各自的有效面积,以保证驾驶室进排气循环;

(2)将驾驶室内饰和外部结构简化为平面,保留玻璃、车门等主体特征;

(3) 保留方向盘、座椅和仪表盘等结构,去除车室内细小的零部件;

(4) 考虑除霜口很少使用,在建模中给予简化;

经实车测量,利用三维软件建立驾驶室几何模型,保留座椅、方向盘、送风口、出风口、玻璃和车门等结构。几何模型如图1所示。

图1 几何模型

2.3 网格划分

划分流体域网格是数值计算的关键一步,网格数量和质量直接决定了数值求解的时间和精度。根据简化的几何模型进行划分,尽可能保证网格方向和流动方向一致,提高数值求解收敛的同时,还能减少伪扩散。采用四面体非结构网格进行划分,对送风口、人体模型部位进行加密处理,生成的体网格单元数量为5.02×106,网格节点数为9.28×105.有限元网格模型,如图2所示。

图2 有限元模型

2.4 计算条件设定

根据实车试验数据和驾驶室有限元模型,对边界和数值求解进行设定,边界条件如表2所示。

表2 边界条件设定

3 数值仿真分析

为研究驾驶室热舒适性,根据GB/T 19933.4-2014规定测量1～6点的温度和1～7点的空气流速,通过测量驾驶员周围各点温度和空气流速,总体反映驾驶室车室内的热舒适性[8]。各测点位置分布,如图3所示。

图3 测点位置(单位:mm)

3.1 气流组织分析

根据现场测试,空调送风口包括吹脸模式(1和2)和吹脚模式(3和4).经送风口1和2的暖风气流进入驾驶室,径直吹向驾驶员两侧,遇到后壁面大部分气流沿垂直方向,经室内顶棚折返到前挡风玻璃。由送风口3和4送入的气流,直接吹向室内地板,使驾驶员脚部的温度得到提高。室内气流组织分布,如图4所示。

图4 气流组织分布

3.2 速度场分析

合理的空气流速能快速提升车室内的温度,冬季室内的空气流速推荐值一般为0.5 m/s,流速过小影响空气品质,流速太大会影响到人体保温[9]。根据头部对冷敏感、脚部对热敏感的原则,在分析车室内热舒适性时,应考虑驾驶员的头凉脚暖所带来的影响。

从图可见,车室内的空气流速分布比较合理,其中,人体上身空气流速小于0.5 m/s,面部空气流速保持在0.1 m/s～0.3 m/s的范围,小于国标规定的0.3 m/s.由送风口3、4产生的气流遇到座椅后形成局部涡流,导致小腿处空气流速偏大,此时,可以通过改变空调送风口的角度来调节室内的气流组织。人体中心截面速度场分布,如图5所示。

图5 速度场分布

3.3 温度场分析

研究表明,室内温度对驾驶员热感觉有很大影响。冬季舒适温度推荐值为17 ℃～21 ℃,低于14 ℃,高于25 ℃都会影响驾驶员的操作,增加事故的风险性[10]。此外,驾驶员周围的温差应小于5 ℃,温差过大会让人感到寒冷。

当驾驶室气流达到稳定时,大部分区域的温度约为22 ℃～23 ℃,分布相对均匀,人体热感觉适宜。但由于气流遇到阻碍的影响,使得座椅后侧和仪表盘附近温度低于14 ℃.人体中心截面温度场分布,如图6所示。

图6 温度场分布

3.4 试验验证

运用热敏风速仪和数字温度表,对驾驶员附近各点进行测试,为减小实验带来的误差,多次测量求其平均值作为最后的实验结果。

经对比分析,仿真温度比实验温度高1 ℃～2 ℃,实验各点平均温度为21 ℃,与冬季室内温度推荐值比较相符。由于室内暖风气流上升的缘故,点5处温度最大,约为22.4 ℃,驾驶员头部温度高于其它部位1 ℃～2 ℃.通过分析各点温度值,测点5的温差最大,约为8.4%.温度对比结果如图7所示。

图7 温度对比

经分析各点空气流速大小,受送风口3和4暖风气流的影响,点1和2的流速较大,分别为0.56 m/s和0.53 m/s.点3、4、6和7处的流速相差不大,约为0.3 m/s,均小于空气流速推荐值0.5 m/s,人体不会有强烈的吹风感,其中,测点2处的速度误差最大为7%.速度结果如图8所示。

图8 速度对比

通过试验与仿真进行对比,温度最大误差为8.4%,速度误差最大为7%,二者均小于10%,仿真与实验基本吻合,证明所建有限元模型具有一定的准确性和可靠性。

4 热舒适性分析

采用VC++语言[11]对PMV-PPD的数学分析式进行编程,实现热舒适性评价指标在驾驶室内的可视化处理。

4.1 人体热舒适性分析

当气流组织达到稳态后,车室内流场温度和速度都发生了很大变化。人体表面的PMV值在(-0.5,0.35)区间内,PPD值最大为13.5%.驾驶员头部的PMV值为0.2,PPD值约为6%,说明该部位热舒适性良好。驾驶员左脚处PMV值为-0.55,PPD值在10%～12.5%的范围内,此环境下左脚处微凉,预测不满意度偏大。

但整体看来,人体表面PMV-PPD值基本分布于合理的范围内,基本满足标准ISO7730规定-0.5

图9 人体表面PMV分布

图10 人体表面PPD分布

4.2 驾驶室热舒适性分析

图11,图12分别表示驾驶员中心截面的PMV和PPD的分布。从图11,图12可以看出,驾驶员周围PMV值在-0.2～+0.2之间,预测不满意率PPD值约为10%左右,说明此环境下,驾驶员热舒适性相对较好,人体不会感到寒冷。

图11 驾驶员中心截面PMV分布

图12 驾驶员中心截面PPD分布

5 结论

以龙工855型号装载机驾驶室暖风工况为研究对象,对驾驶室整体热舒适性进行分析,并得到如下结论。

(1) 通过建立有限元模型,设置不同送风口的温度和速度,经仿真与实验对比,各测点温度误差最大为8.4%,速度最大误差为7%,误差均小于10%,说明所建模型的合理性和可靠性。

(2) 分析驾驶室热舒适性时,利用FLUENT自定义函数法对PMV-PPD进行UDF编译。经编译后能直接观察PMV-PPD值在人体表面的分布,并对驾驶室热环境进行可视化处理。

(3) 合理的气流组织可提高驾驶室的热舒适性,通过对该模型进行研究,得出此环境下人体热感觉良好,对于造成局部热不舒适的原因,可利用空调档位,来调节空调送风温度和速度,以期达到人体最佳热舒适性。