汽车座椅通风数值模拟与热舒适性研究

关键词：座椅通风；汽车；舒适度；风机

随着汽车的普及，驾驶员与乘客对汽车的要求不再局限于汽车性能方面，对汽车乘客舱热舒适性的要求也越来越高［1］。舒适的热环境可缓解疲劳，改善烦躁的情绪，提高工作效率和驾驶安全性。然而，汽车乘客舱是一个相对封闭的环境，其内部热湿环境更为独特。在自然暴露过程中，热传导、对流、太阳辐射极大地改变了汽车乘客舱的热舒适性，人进入车内会受到瞬时热冲击［2］。特别是夏季，汽车乘客舱的环境让人非常不舒服。因此，如何使汽车乘客舱的温度和湿度在停车和行驶条件下均符合人体热舒适的要求很重要［3］。研究发现，从汽车座椅和内饰设计上改善舒适度时，针对身体敏感度较高的部位（肩膀、背部、臀部）要选择高耐热性的涂层材料，以减少织物与皮肤之间的热交换。在座椅加热系统和暖通空调（HVAC）系统的设计阶段应遵循类似的目标［4］。一般来说，座椅会阻碍热量和水分从人体背部传递到环境中，从而给坐着的人带来热不适。坐着的人的躯干暴露在对流气流中，而人的骨盆和背部则被座位结构材料包围着［5］。具有通风功能的汽车座椅为解决接触面的初温问题提供了较好的选择。汽车座椅通风的原理是在座椅坐垫下方安装离心风机，利用风机将空气吹入通风层，然后气流通过通风层从座椅表面的通风孔向上渗透，从而实现通风功能。图1为座椅通风示意图。座椅的通风功能有效地改善了人体和座椅接触面的空气自然流通环境，可在天气炎热情况下迅速散去汗液，即便长时间乘坐，人体臀部和背部与座椅之间的接触面仍保持干燥和舒适［6］。此外，座椅通风结构还可通过通风循环的方式使内部空气得以循环和净化，从而减少有害气体的滞留和积累，预防肺结核、麻疹、普通感冒、流感等疾病［7］。

本文通过建立座椅物理模型，设计了一种通风流道布置形式，并对该通风座椅物理模型进行数学建模与模拟计算，得到3种流量工况下压力场与速度场的变化规律，预测了冷空气在座椅通风流道内的流动，并对座椅通风流道流场进行了数值计算，分析了多孔座板出气孔表面的速度和压力分布，借此分析夏季通风座椅与人体舒适性的关系。

1汽车通风座椅物理模型

近年来，汽车座椅通风技术愈发成熟，并在越来越多的车型上应用。本文构建了一款下吹式通风座椅，建立了该汽车通风座椅物理模型，其外形如图2所示。在座椅底部设有通风管道，座板下方设有腔室，通过在汽车座椅下安装的离心式车载冷却风扇使空气气流从设置有端口的座椅表面吹出。夏天车内初始温度较高时，通过开启风扇可有效、快速降低座椅表面温度，并在汽车行驶过程中可加强座椅周围空气流动，以满足驾驶员和乘客的热舒适性需求。

图3为汽车通风座椅通风孔分布。首先，考虑到人体与座椅的接触面较大，因此在设计流道分布形式时通风孔可覆盖大部分人体与座椅的接触面。其次，人坐在座椅上时不会全部遮挡通风孔，通风孔中气流流出后可与人体进行对流换热，以提高人体舒适度。通风孔从座椅中心向外布置，孔径逐渐变大［8］。

计算域物理模型如图4所示。座椅下方通风管道截面尺寸为40mm×40mm，高度为120mm，腔室高度为60mm，座椅表面与腔室之间的辐射状开孔的最小孔径为6mm，最大孔径为8.8mm，高度为50mm。

2汽车通风座椅数学模型

2.1质量守恒方程

在流体力学中，质量守恒为偏微分方程，反映了流道中两个断面之间空间的质量平衡。

对于三维不定常流，用x、y、z表示空间直角坐标，用u、v、w表示质点在x、y、z方向上的速度分量，其数学表达式为式中：ρ为流体的密度；t为时间。

2.2动量守恒方程

描述不可压缩黏性流体动量守恒的方程一般称为纳维−斯托克方程，它是不可压缩黏性流体最普遍的运动微分方程。其数学表达式为

式中：u为流体的速度；Fx、Fy、Fz为作用在流体上的外力，如果作用在流体上的外力只有重力，由于重力方向垂直向上，则Fx和Fy为0，Fz=−ρg，g为重力加速度；U为总速度；黏性应力τab，a、b分别为x、y、z，其命名规则为a为力的作用面的法向方向，b为力的作用方向，例如τyx表示力作用于与y轴垂直的表面，力的方向为x轴方向。

2.3湍流模型选择

由于流体存在黏滞性，流体具有层流和湍流两种不同的流动状态。根据雷诺数Re可判断流体流动状态。在管流中，雷诺数小于2300即为层流；而雷诺数大于4000时，流体流动不稳定，容易形成紊乱不规则的状态，即为湍流。雷诺数表达式为

式中：v为流体平均流速；d为管道直径；μ为流体动力黏度。

本文研究的汽车座椅通风流道流体为空气，气体流动稳定，并且为完全发展的湍流流动。流道内入口速度较低，因此内部空气可视为不可压缩气体，可忽略其黏性。为了更好地模拟圆孔射流问题，在ANSYSFLUENT软件中选择标准k−ε湍流模型。标准k−ε湍流模型是最常用的两方程湍流模型，其湍流动能k和湍流动能耗散率ε所对应的湍流输送方程分别为

2.4网格无关性验证

送风口工况参数如表1所示。座椅下方通气孔作为入口，入口条件为质量流量进口，座椅表面端口作为出口，出口设置为压力出口，背压为0。通风流道表面设置为无滑移壁面。

整个计算域采用六面体网格生成，计算域总体网格数量约为220万，如图5所示。在图5的基础上扩大及缩小网格尺寸，分别获得190万、205万、234万，240万的网格划分，并在表1工况1下进行数值模拟，得到出口平均风速与网格数量关系如图6所示，5种网格划分下座椅出口平均风速相差在5％以内。这表明网格数量为310万可满足网格无关性的要求，因此后续计算将在图5所示的网格尺度下进行。

空气在座椅通风流道内的流动为较为复杂的湍流过程。本文采用标准k−ε湍流模型，选用SIMPLE算法进行计算，离散化方法使用有限体积法，压力项采用标准离散格式，其他项采用二阶迎风格式。求解器设置如表2所示。

3热舒适性与计算结果分析

3.1人体热舒适性分析

Mathieu等基于伯克利模型研究了在座椅上安装微气候调节模块（MCM）和未安装MCM时乘客舱环境，分析了乘客的座位位置（过道、中心或窗口）和他们的生理条件对热舒适的影响。依托COCOON项目开发的MCM展示了其在不同乘客舱环境条件、座位位置和身体生理条件下改善乘客热舒适性的能力。MCM可根据乘客的喜好将冷、热空气导入座椅，从而提高乘客的热舒适度，并为乘客提供更多的个人热区域控制［9］。

慕尼黑工业大学人体工程学研究所在气候室内进行了通风座椅人体舒适度实验，冬季和夏季模式的环境温度分别为−20°C和40°C。在不同气候情景下进行研究，以获得乘客舱内不同温度、辐射和对流条件对客观热感知的影响。实验表明，夏季座椅出口的设置导致温差，并在座椅上部区域形成空气幕。空气从上到下流动，为人体带来一种“温暖而舒适”的热感觉［10］。

Alexander等提出等效接触温度（ECT）模型，并通过实验发现座椅通风对于通过接触面将水分输送到环境来确保达到特定湿度是必要的。

汗液的蒸发和通过座椅通风排出会导致温度下降并降低ECT。参加实验的受试者坐在通风座椅25min后给出的问卷调查的答案大多数介于“中性”和“温暖但舒适”之间［12］。

综合上述实验可以看出，夏季通风座椅的存在会使得人舒适性加强，且随着风速的增加，人体汗液蒸发速度加快，人体温度会较快地达到较为舒适的温度。而在冬季通风座椅可能反而让人的舒适性降低。

3.2速度场分析

入口质量流量分别为2.4、6.2和9.6g·s−1时，流线图如图7（a）、7（b）和7（c）所示。离心风机运转时，空气通过座椅下方通风流道入口吹入座椅腔室，并与腔室的上表面发生碰撞后朝四周扩散，产生湍流旋涡，然后气流从连接腔室的若干出风端口吹出。

座椅通风流道出口速度分布如图8所示。当入口质量流量分别为2.4、6.2和9.6g·s−1时，座椅表面平均风速分别为0.717、1.825和2.442m·s−1。

表3为不同质量流量时出口平均速度及最大、最小速度。可以看出，流道出口中心处未打孔，使得进入空腔的气流流动方式改变，且座板四周距离气流入口较远的端口直径较大，使得流速较一致。需合理控制空气分布，以满足每个热源的散热要求。根据部件温度均匀性和温度控制要求，需均匀供风以保证散热效果。均匀送风即实现流量分布均匀，保证每个出口的流量相等，使流道出口表面整体速度分布均匀［9］。本次计算结果中，80%以上出口速度基本相同，可视为速度均匀。由此，可有效改善人体和座椅接触面的空气自然流通环境。

3.3压力场分析

座椅通风流道表面的压力分布如图9所示。本文中提及的压力均为相对压力，即绝对压力与大气压力的差值。在座板中央观察到高压区域，入口流量在9.6g·s−1时，最大压力为1.863Pa，而其他出口压力相当低。最外圈的出口压力最小且无负压，但由于端口直径从内往外逐渐增大，相较于内圈出口压力来说并未显著降低。表4为不同质量流量时出口平均压力及最大、最小压力。当入口质量流量分别为2.4、6.2和9.6g·s−1时，座椅表面平均压力分别为0.263、0.771和1.284Pa。

由表4可以看出，当进风口处入口质量流量分别为2.4、6.2和9.6g·s−1时，座椅表面平均压力分别为0.263、0.771和1.284Pa。座椅表面中心采取不打孔的流道设计方式，使得进风口风垂直射流进入腔室内部接触到内壁后，气流均匀散开从表面端口流出，有效防止局部压力过大。并且端口打孔直径由内往外线性增大可使座椅表面压力分布均衡。由压力云图可看出，风道出口表面整体压力控制较好，整体压力较小，人体不会有太大的感受，较均衡的压力分布有助于提升人体热舒适性。

4结论

本文选取了一种流道布置形式。在此基础上建立了汽车通风座椅模型，并进行了CFD仿真模拟计算，分析了多孔座板的压力和速度的分布。得到结论如下

（1）建立了具有通风功能的汽车座椅模型。为使座椅表面速度和压力分布均匀，满足人体热舒适性要求，座椅表面气流出孔排布方式为辐射状，且端口打孔直径由内往外线性增大；为避免座椅中间局部压力过大，中央采用不打孔的流通设计方式。

（2）对汽车通风座椅内部流道进行了仿真计算，分析了通风风道流场的压力和速度分布情况。结果表明：进风口风垂直射流进入腔室内部并接触到内壁后，气流均匀散开从表面端口流出，有效防止局部压力过大，且端口打孔直径由内往外线性增大可使座椅表面速度和压力分布均衡。座椅通风有效改善了人体和座椅接触面的空气自然流通环境，提升了人体热舒适性。

（3）汽车座椅舒适性因人而异且与室外环境息息相关，性别、身高、体重、湿度、室外温度都会影响驾驶员与乘车人的乘车体验。本文仅对汽车座椅进行模拟仿真，调研汽车座椅通风对人体舒适性的影响。通过分析可知，夏季人体体表温度过高，座椅通风系统可以有效地降低体表温度，汗液潜热传递显著，有助于提升通风效果，并且可以通过调节风机风量达到最佳舒适度。

目前绝大数座椅通风系统应用于夏季为人体降温。冬季座椅材质和保暖衣物的存在会使人体舒适度情况变得复杂，接下来会对风机进行改进，并考虑对温度与保温衣服的材质进行模拟研究，以使人们在冬季出行时也有舒适的体验。