某VAN车乘员舱舒适性仿真分析

摘要：采用CFD仿真方法研究了瞬态变化的汽车乘员舱内的热环境和乘员舒适性。首先通过仿真与试验对标分析的方法校准了仿真模型，接着用校准后的模型分析了乘员舱内气流流动情况、温度分布及乘员舱内空气品质，最后分析了辐射对乘员舱内热负荷的影响。结果表明：仿真模型中主副驾头部温度随时间的变化趋势与试验值一致，且温度误差在1 ℃范围内；乘员头部以及躯干大部分风速分布较为均匀，温度适中，空气较为新鲜，乘员会有较高舒适感，但腿脚部风速过低，温度高，舒适性较差；增加辐射模型后，乘员头部温度较无辐射条件下升高3 ℃。在实际应用中，可通过该仿真方法来精准调控乘员舱气流流动和温度分布，提升乘员乘坐体验，同时为优化汽车空调系统设计提供有力依据，对提升产品舒适性方面提供重要参考。

关键词：乘员舱；舒适性；空气龄；CFD

中图分类号：U461 收稿日期：2024-10-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.006

1 前言

乘坐汽车时，车内空气新鲜度、温度分布及车内气流速度分布是否适宜是决定乘员乘坐舒适度的重要因素。乘员会受到外界太阳辐射、车内空气的温度与气流以及座椅热传导等因素的影响，人—车—环境系统是一个集合对流、辐射、蒸发和传导等热交换模型的复杂系统。复杂的人—车—环境系统和在短时间车内不同位置乘员对于热舒适性的需求，使汽车热舒适性研究存在一定难度[1-3]。

对乘员舱热舒适性的研究主要有两种方法：一种为试验研究，主要是在环境仓或室外进行试验，但该方法需要消耗时间和试验成本，而且在试验中温度测点的数量有限，不能从有限的测点数据中得出完整的流场及温度场分布;另一种方法是通过CFD仿真计算，模拟实际环境，通过对乘员舱内流场分布进行计算，可得到乘员舱内空气流速及温度等分布情况，进而分析车内热环境对乘员热舒适的影响。

本文在某款VAN车的空调风道和驾驶舱三维模型的基础上，加入驾驶员和乘客三维人体模型，对乘员舱内流场进行数值计算。首先通过该VAN在无辐射条件环境仓中的空调试验数据来标定乘员舱仿真模型；然后对标定后乘员舱模型内部的气流流动情况、温度分布、速度分布以及空气品质进行细化分析；最后对该模型施加辐射边界条件，研究增加辐射条件后对主副驾头部温度的影响。

2 仿真模型建立

2.1 数学模型

本文中采用数值计算的方法来研究乘员舱中空气流动及温度分布，为简化计算的同时保留较高的计算精度，本文研究过程中作出如下假设：a.乘员舱内空气为不可压缩流体；b.乘员舱内空气流动状态为湍流，且湍流黏性为各向同性；c.乘员舱气密性好，不存在气体泄漏；d.考虑太阳辐射时忽略固体壁面间的热辐射，且乘员舱内空气为辐射透明介质[4-6]。

2.2 网格模型及边界条件

本文乘员舱计算模型主要包括空调风道、出风口（带格栅）、乘员舱内饰、仪表板、座椅及假人。网格建模方法采用风道与驾驶舱分别单独建模，然后通过在风道的出口和驾驶舱的入口间建立交界面（interface）交换物理量的方式来建立。在前处理软件Hypermesh中对空调风道、出风口及格栅进行详细建模，简化驾驶舱内的内饰及细微结构，对驾驶舱进行封闭处理；将Hypermesh处理后的风道及乘员舱模型导出为nas格式并导入Star-CCM+中，须对导入Star-CCM+中的驾驶舱进行包面和网格重构处理，在Star-CCM+中用泄漏检测工具检测驾驶舱内部的连通性，确保驾驶舱内部是个封闭的空间后进行包面操作，包面的基本尺存设置为5 mm，执行间隙封闭功能，最小间隙设置为2.5 mm；包面完成后需要对包面进行面网格重构处理，面网格重构尺寸如表1所示，通过网格无关性检查，按表1中参数重构网格可在保证求解精度的同时提升模型计算效率。重构后的乘员舱面网格如图1所示。

划分体网格时体网格单元类型使用多面体（Polyhedral）单元，边界层设置上采用3层、拉伸比1.3，总厚度4 mm，入口、出口及交界面禁止生成边界层，边界增长速率选择中等，最终计算模型总网格数为300万左右。

为与该VAN试验结果对标，本文采用瞬态物理模型来计算乘员舱内流动情况，流体流动属于空气低速流动，为保证湍流模拟的准确性，采用Realizable K-Epsilon湍流模型，施加辐射模型时辐射模型采用S2S模型，人体的热边界条件设置为：人体表面均匀散热，驾驶员散热量为176 W，副驾乘员散热量为116 W。入口流量为0.122 kg/s，入口温度为试验测得。

3 计算结果分析

3.1 仿真值与试验值对标

为校准仿真模型的准确性，须将仿真模型根据试验值进行标定。标定模型时为提高效率可采用稳态仿真进行标定，仿真模型中空调格栅状态须与试验时状态一致，提取仿真模型中主副驾头部温度，主副驾头部测点需与试验测点保持一致，通过调整仿真模型中乘员舱车体与玻璃的传热系数，使仿真模型中的主副驾头部测点温度与试验值一致，此时标定后的乘员舱仿真模型可用于后续的乘员舱热舒适性的研究。

本仿真模型经过稳态标定后再进行瞬态分析验证，主副驾头部温度变化曲线与试验值的对比结果如图2所示。由图2可以看出，仿真模型中主副驾头部温度随时间的变化趋势与试验值一致，且温度误差在1 ℃范围内，说明本仿真模型有较高的精度，可用来模拟乘员舱内的真实空气流动。

3.2 乘员舱内气流流动情况分析

图3为乘员舱内的气流流线图。由图中可以看出气流从空调风道入口流经空调风道和格栅，从空调出口流入乘员舱中。由于空调管道中管径的粗细变化，气流流速会在管道中被加速，从空调左出风口流出的气流会直吹到驾驶员左胳膊上，过冷的气流直吹到驾驶员胳膊上会使乘员感到不适，中间两个出风口的气流直吹到驾驶舱的后背板上，然后一部分经由车顶和前挡风回流，这部分回流的低温空气会降低整个乘员舱的温度，会提高乘员舒适性，经由乘员腿脚部回流气流较少，会影响其散热，对乘员舒适性产生不利影响。由图4的流速图可以看出，从空调出风口吹出的冷风能以不低于2 m/s的速度贯穿整个驾驶舱吹至驾驶舱后背板上；由图5的乘员面部截面风速分布可以看出，乘员面部截面上分布有较大面积的高于2 m/s的风速，此风速可通过调整格栅位置吹到乘员身体不同部位，可提高乘员舒适性。

空气的流速和方向对人体舒适性影响很大，舒适的气流速度一般为0.25 m/s左右，当气流速度达到0.15 m/s时，就可以感到空气清新而产生新鲜感[5]。由图6所示的乘员表面风速可以看出，主副驾头部以及躯干大部分风速分布较为均匀，在0.1～0.5 m/s范围内，乘员会有较高舒适感；主驾胳膊及左肩部和副驾上臂风速过高，这是由于仿真时空调风口格栅处于设计状态，可对出风口方向及格栅角度进行调整，使风量分布更为均匀，提高舒适性；主副驾腿脚部风速过低，舒适性较差。在实际工程应用中，可通过优化出风口结构、格栅结构以及出风口相对方向盘的布置等，来优化乘员舱内空气流动的状态以及避免方向盘阻挡空调出风直吹人脸。

3.3 温度场分析

由图7主驾人体对称截面温度分布图可以看出，主驾头部和躯干周围空气温度在28 ℃左右，舒适性较好，腿部周围空气温度在30 ℃左右，舒适性较差。由图8主驾人体表面温度分布可以看出，主驾脚部、手和腿部温度最高，达到35 ℃左右，其次头部温度达到34.5 ℃，躯干的右臂在31～32 ℃之间，感觉较为舒适，左臂受风口直吹的影响，温度为27 ℃。综合来看，除腿脚部温度高感觉不适外，主驾其余部位感觉较为舒适，结合上文乘员舱内空气流动分析，主要是由于腿部风口出风难以直接吹到且回流风量少引起的。

3.4 空气品质分析

空气龄评价指标能够全面评估乘员舱内的空气质量，包括新鲜空气的分布和循环情况，从而确保乘员舱内的空气始终保持新鲜和清洁‌。相较于其他空气品质评价指标如污染物浓度等，空气龄能够直接反映空气从源头到被吸入人体所经历的时间，从而提供空气新鲜度的直观信息，故本文使用空气龄来评价乘员舱内空气的新鲜度。

图9展示了空调中间出风口Y=100 mm截面及主驾人体对称截面三个截面上的空气龄分布。由图中可以看出，从空调风口流出的风道上空气龄较低，在5 s以内，随着空调吹出的气流撞击乘员舱后背板向仪表板回流的过程中空气龄逐渐升高，从主驾人体对称截面图上可以明显看出主驾头部及躯干附近空气龄在20 s以内，空气新鲜度较好，前挡风玻璃附近及主驾腿部空气龄在25 s以上，最差处超过30 s，这是因为这两处空间空调出风不能直接吹到，且空调吹出的气流撞击乘员舱后背板的回流气体在这两处空间形成涡流，这与上文中乘员舱中气流流动情况分析一致。

3.5 增加辐射后结果分析

根据该VAN车主销地区光照特征，设置太阳辐射边界条件为：辐射强度为直射1 160 W/m2，漫反射800 W/m2，太阳角度为方位角90°，高度角70°。该辐射条件可根据不同季节、不同地理位置等工况的光照特征进行实际调整以满足开发需求。增加辐射模型后，太阳辐射照射到车体上会将辐射能转化为热能，显著增加乘员舱内的热负荷。由图10可以看出，增加辐射后，乘员舱内降温速率与无太阳辐射条件下相当，但在乘员舱内温度稳定后增加太阳辐射条件下会比无辐射条件高3 ℃。

4 结语

本文通过仿真与试验对标分析的方法，分析了瞬态变化的汽车乘员舱内的热环境和乘员身体各部位的温度及风速分布，得出以下结论：

a.建立了乘员舱热舒适性流体计算模型，并将主副驾头部温度的仿真值与试验值对标，对标结果显示模型中主副驾头部温度随时间的变化趋势与试验值一致，且温度误差在1 ℃范围内。

b.分析了乘员舱内气流流动情况，从空调出风口吹出的冷风能以不低于2 m/s的速度贯穿整个驾驶舱吹至驾驶舱后背板上，主副驾头部以及躯干大部分风速分布较为均匀，在0.1～0.5 m/s范围内，乘员会有较高舒适感；但主副驾腿脚部风速过低，舒适性较差。

c.分析了乘员舱温度分布及空气品质，乘员除腿脚部温度高感觉不适外，主驾其余部位感觉较为舒适；乘员头部及躯干附近空气龄在20 s以内，空气新鲜度较好，腿脚部空气新鲜度较差，与乘员舱中气流流动情况一致。

d.增加辐射模型后，乘员舱内降温速率与无太阳辐射条件下相当，但在乘员舱内温度稳定后增加太阳辐射条件下会比无辐射条件高3 ℃。

e.未来可通过搭建空调系统的一维仿真模型，将一维空调模型与三维乘员舱模型耦合，可对空调制冷系统及风道及布置进行一体化的优化设计，提升乘员舱乘坐体验。

参考文献：

[1]罗杨，刘平，刘明杰，等.汽车乘员舱个性化热舒适智能空调决策系统设计[J].汽车工程，2024，46（6）：1114-1124.

[2]张炳力，薛铁龙，胡忠文.基于PMV-PPD与空气龄的轿车乘员舱内热舒适性分析与改进[J].汽车工程，2015（8）：951-959.

[3]陈吉清，郑习娇，兰凤崇，等.基于人体热调节模型的乘员舱热舒适性分析[J].汽车工程，2019（6）：723-730.

[4]何良，吴长水，李启杰，等.太阳辐射下乘员舱温度场的数值模拟研究[J].机械强度，2017，39（2）：479-483.

[5]李祥峰.汽车空调[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[6]秦云山，李卓，何禎.旋流送风方式下客车乘员舱人体热舒适性研究[J].武汉理工大学学报，2024，46（5）：117-124.

作者简介

卢德钊，男，1993年生，工程师，研究方向为计算流体动力学仿真。