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SUV车型乘客舱温度场仿真研究
2022-02-16 21:08:07· 来源：科闻智库
摘要：本文基于某款ＳＵＶ车型， 建立了完整的乘客舱ＣＦＤ模型， 其中考虑了乘客舱固体壁面多层材料、玻璃在不同波段辐射特型。并与台架风量配比试验以及整车降
摘要：本文基于某款ＳＵＶ车型， 建立了完整的乘客舱ＣＦＤ模型， 其中考虑了乘客舱固体壁面多层材料、玻璃在不同波段辐射特型。并与台架风量配比试验以及整车降温试验进行了对比，取得很好的一致性，温度误差较低。进一步的基于基础模型，研究了一些影响乘客舱降温性能的常见因素，并对各因素有了定量的判断。结果表明针对车窗玻璃，增大反射率、降低透射率可以直接降低热负荷，增加风道保温棉可以减小热量损失，直接提升空调降温性能。
前言汽车乘客舱主要由玻璃、门护板、立柱护板、顶棚、地毯等内饰件构成，形成近似封闭的腔体。夏季汽车空调系统的一个主要功用就是保证该腔体能快速降温冷却，并自动维持在适当温度，使舱内乘员感觉舒适。乘客舱的热量负荷直接决定了空调系统制冷的能力大小需求。如果乘客舱热负荷过大，会导致空调负荷过大，不利于整车轻量化、振动噪声、油耗等各项性能。而对于ＥＶ车辆来说，空调负荷过大则会消耗过多能量，降低行驶里程。
在整车热负荷来源分解中，通过车窗玻璃传入的热量会占到整车热负荷的绝大部分。在夏季阳光照射下，由于玻璃具有透射短波（紫外线、可见光）吸收长波（红外线）的固有特性，同时乘客舱固体内饰件在吸收太阳辐射后，会发出长波（红外）辐射，这样就导致乘客舱内形成温室效应。随着现在越来越多的车型采用全景天窗，加剧了乘客舱热辐射及温室效应。故基于考虑太阳多波段热辐射模型、固体热传导模型，以及热对流模型的乘客舱热负荷的研究，显得越发的重要。
针对这一课题， 国内外均进行了大量研究。国内学者赵树恩等在文献［１］ 中基于简化单层壁面乘客舱模型，研究了不同的玻璃辐射特性下乘客舱温度变化。张文灿等［２］则采用等效节点方法，研究了不同属性玻璃在不同日照时刻的温度变化。宋亚军等［３］采用ＣＦＤ 模拟了不同日照角度对于乘员热舒适性的影响。
国外Ｏｚｅｌａ，Ｙ等［４］通过更换玻璃的试验，对比了普通绿玻与红外线隔离玻璃对乘员不同部位热舒适性的影响。更进一步的，John等问结合ＣFＤ与动力经济性一维模型，研究了防日照辐射玻璃对车辆空调热负荷的影响，以及对于燃油消耗、续航里程的影响。整体来说，相关论著仿真模型大多采用简化乘员舱模型， 即假设乘员舱为单层，没有考虑固体壁面的热传导以及热容，缺乏与实车试验相匹配的结果对比，基本未考虑玻璃在不同波段下的辐射特性的差异。本文从多波段热辐射＋ 固体壁面模型模型为基础，采用软件ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋，建立了完整的ＣＦＤ 基础仿真模型，调试模型至与试验结果匹配，然后基于该基础模型，展开研究了不同玻璃属性、风道保温等参数对乘客舱降温性能的影响。
１．相关理论介绍ＣＦＤ技术目前在汽车开发中已经应用非常成熟，在汽车行业主机厂主要有以下几方面应用：整车气动力分析、气动噪声分析、热管理分析（含发舱热保护、冷却、空调） 等。现代ＣＦＤ 理论主要基于流体力学质量守恒方程、能量守恒方程、组分质量守恒方程，结合湍流模型以及边界层函数使用。相关基础理论在此不赘述。
在汽车乘客舱热量传播上，热传导、热对流、热辐射这三种热量的传播方式都会出现，且都有重要作用，不能忽视。结合文献针对热传导过程，在此以车门为例，假设热量只在车门内外一个方向传导，则单位时间内通过该车门的导热量与车门内外侧的温度变化率，以及车门面积存在如下关系：
发射率、透射率、反射率为无量纲数，三者之和为１ 。在实际整车中，存在大量金属非金属部件，各个部件的发射率、透射率、反射率都不尽相同。
为保证良好的视野，车辆窗户基本由普通绿玻制成， 其中前风挡玻璃中间有ＰＶＢ夹层普通玻璃辐射透射率引用文献[8]所示：
在太阳辐射光谱中， 小于0.4微米的波长的范围为紫外线，0.4~0.76微米之间的波长范围内为可见光， 大于0.76微米波长范围为红外线。其中约50%能量集中在可见光区域，约43%能量在红光谱区。在图１中，普通玻璃在太阳辐射红外线波段处于高透射状态， 即不能有效阻挡太阳红外线辐射， 而目前广泛应用于建筑行业的low-e渡膜玻璃，则可以很好的阻挡红外线。采用low-e渡膜玻璃对乘客舱降温性能的影响在本文后面会展开研究。
鉴于此，在本文的CFD仿真中，为了考虑车窗玻璃对于不同波段辐射的选择性，采用了双波段热辐射模型，选取短波段0.4微米~3微米，长波段3微米~5微米。
２ ．ＣＦＤ 分析模型介绍
本文选用某款ＳＵＶ车型，抽取乘客舱空軋建立了乘客舱流体、玻璃固体、内饰固体等多个计算域。模型整体信息如下：
整体网格数量：１１０８万Ｔｒｉｍ 网格；网格尺寸：局部1-2mm，
整体８-32mm；边界层尺寸：２层２ｍｍ，增长率１.５；求解模型：瞬态，非定常密度气体，考虑重力，Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ Ｋ－ＥｐｓｉｌｏｎＴｗｏ－Ｌａｙｅｒ模型，采用太阳福射＋两波段辐射模型；求解吋间：采用３００核并行计算，瞬态计算４８００ｓ总耗时约１０小时，结果文件大小２５ＧＢ；模型整体如图２所示，其中包含所有内饰件、座椅等，以及驾驶员处标准坐姿假人一名。
天窗同样体现在模型中，如图３所示。假设遮阳帘处于关闭状态，遮阳帘以上空间与乘客舱空间不进行物质交换，仅通过遮阳帘进行热交换。图４展示了乘客舱空间内部体网格，其中座椅、后排衣帽架采甩固体建模处理，厚度为实际厚度。在乘客舱外部，各玻璃按照实际厚度进行拉伸体建模， 其余壁面部件统一采用画定厚度进行拉伸体建模。
计算模型中，同样考虑了风道的热量损失。风道以及格栅模型如图5。流体域入口处取ＨＶＡＣ分配箱部分模型，以模拟风机出的气流不均匀性。
３ ．分析输入非几何参数
汽车乘客舱壁面材料种类较多，均以多层叠加的方式存在，在此以前车门为例列举部分在本文中用到材料属性，如表１所示。
在本文中，假设表１ 中的各个部件仅存在热传导无泄漏对流等现象， 因此可以按照前述的方式计算总成的密度、比热容、热传导率等信氣然后赋予到该总成的固体材料属性中。而对于车身以及内外饰材料的辐射系数，本文中统一采用如表２所示设置，具中反射率未列举。
模型采用瞬态计算，进口气流温度是一条随时间变化的曲线， 如图６所示。该曲线采集自试验中的空调蒸发器出口空气温度。
４ ．试验工况及设置
为了对比分析与试验之间的误差，并调试仿真模型，在此依次设计了两个层级的试验。首先是零部件总成级别的台架风量配比试验，用于测量风机匹配风道后，在吹面模式最大档下的各个出口流量配比。然后是整车级别试验，用于测量在整车工况下乘客舱风道出口，以及乘客舱内部各测点的温度。
４ ．１ 台架风量配比试验
该试验设置见图７。试验前将风道所有出口连接延伸段，该延伸段直径与风速仪相同，同时确保风机、风道、延伸段、叶轮风速仪之间的密封。测量时调至全吹面模式，记录叶轮式风速仪测量得出的风速，然后按照各出口风速配比，折算成流量配比。试验共计测量３次， 最后取平均值作为最终结果。
４ ．２整车降温试验
整车降温试验在高温转鼓试验舱进行，试验工况见表３，试验现场图片见图８、图９。在各个出风口， 以及乘客舱前后排头脚部（共计８点），均布置有Ｋ型热电偶传感器， 在试验过程中每隔1ｓ实时采集温度信息。
图1０是台架风量配比试验与仿真结果对比， 可以看到各个出口流量配比非常匹配，试验与仿真的差值不超过2%。表示模型能够准确的模拟风道内部气流流动。
在整车降温试验中，主要关注在仪表板上的５个吹面出风口气流温度，以及乘客舱的８个头脚测点温度。图１２至图１４可见其中三个吹面出风口温度测点试验和仿真对比，另外２测点分别与图１２、图１３基本对称，在此未列出可以看到，试验与仿真的吹面出口温度变化趋勢几乎一致， 各个时间段上的差值也很扎这表示模型在风道的热量损失上的模拟是比较准确的。
仿真基础模型的乘客舱内８点平均温度曲线与试验值的对比如图１５所示。可以看到试验与仿真在整个时间段内误差相对比较小， 部分时刻最大温差不超过２°Ｃ（约４０００ｓ 时）同时，在试验最后阶段（ ４８００ｓ时），采用热成像仪拍摄了部分壁面，并与ＣＦＤ仿真进行了对比。图１６为前排副驾侧窗温度，可以看到在试验中玻璃下沿门护板以及Ａ 柱靠前风挡处均受到太阳直射，温度较高，仿真中也体现了这一点。同时玻璃温度呈现前部分温度高， 后部分温度低的分布趋势，仿真也基本与之吻合。图１７为天窗遮阳帘前部副驾侧温度分布。试验与仿真均显示遮阳帘温度比顶栅壁面温度高出约１5℃。试验中由于遮阳帘四周缝隙处存在顶部热气泄漏，温度要高于中心区域，而仿真模型中无法体现这一点，故有一定差异。
基于上述结果，可以看到试验与仿真在出风口温度、乘客舱平均温度上的差异较小。在乘客舱固体壁面温度分帝上试验与仿真趋势吻合。至此认为该ＣＦＤ 仿真基础模型精度已经满足要求，可以用于后续的针对相关因素对降温性能影响的研究。
６ ．相关因素对降温的影响
为了进一步的改善乘客舱降温性能，以降低乘客舱热负荷、减弱冷量损失为主要导向，在此选取了如表４所示的８个方案，来进一步探讨相关因素的影响。其中方案１-４主要是改变玻璃属性，案５ 、６改变了天窗遮阳帘属性，方案７用于减弱风道热量损失。方案１-７均是基于基础方案，仅改变表中所述的的参数。方案８是各个方案中对降温效果部分有益方案的叠加。
总体来说，方案１ 、３ 、５ 、６ 的乘客舱平均空气降温结果相对基础方案来说变化不明显。
对于方案１，由于玻璃变厚热阻増加， 使得由热传导进入乘客舱的热量由300Ｗ 降至190Ｗ（除天窗外），但降低的热量相对较少，仅有１００Ｗ 左右，反应在舱内８点平均温度上变化量很小。
方案２降低了玻璃短波段透射、增大了反射率率， 使得进入乘客舱的热辐射宣接減小， 其对降温性能的贡献明显，在３５００秒左右能较基础方案降低约1.5℃。
方案３与方案垌理，仅仅增加了一层玻璃上的热阻， 并未对玻璃辐射特性做改变，降温改善不明显。
方案４降低了玻璃短波透射率，乘客舱温度部分时刻可以比基础方案下降约1℃。可见 在车辆贴膜时，如果选择高档次的，能确实降低辐射透射率的车膜，可以起到良好的改善空调性能的效果。方案５ 的遮阳帘平均温度比基础方案降低2.3℃，即部分热量未被遮阳帘吸收，而是穿透了遮阳帘，但是总的通过遮阳帘进入乘客舱的热量是相当的，所以乘客舱８点平均温度变化不大。但是图１９可以明显看到乘客舱内部的曰照辐射増强，从人体热舒适性角度来考虑， 方案５会明显使乘客感受到来自天窗的日照辐射，受曰体部位会明显觉得热。
基础方案中， 由遮阳帘热传导进入车内的热量热量约是120w，方案６将遮阳帘平均温度降低了0.7℃，总量较少，故对整体温度变化影响不大。
方案７，即在风道外壁面增加保温层，能有效降低风道壁面的热损失。以第二排吹面风管为例，可以从图20明显看到：在4800ｓ时，方案７风道壁面温度远低于基础方案。基础方案出口气流温度为15.7℃，方案７降至１3.3℃。整个乘客舱平均温度比基础方案降低约０.5℃ 。方案８是以上各个有益方案的叠加。在部分时刻，舱内平均温度可以比基础方案降低约2℃，收效很好。
由上述方案可见， 在乘客舱相关影响因素中，玻璃辐射特性、风道保温性能这两者的提升，对降性能有着直接的巨大贡献。遮阳帘如果是稀疏状可以透过阳光， 则会对乘员热舒适性带来直接的恶化。
７．总结
本文基于某款ＳＵＶ车型，建立了完整的乘客舱模型，其中考虑了乘客舱固体壁面多层材料属性、玻璃的不同波段福射特型等。基础模型与试验取得了很好的一致性，误差较低。基于基础模型进一步研究了一些影响乘客舱降温性能的常见因素，并对各因素有了定量的判断，其中有明显有益效果的因素如下：采用低辐射透射玻璃（low-e玻璃）、増加风道保温层、全车采用低辐射透射贴膜。会恶化降温性能的因素有：天窗遮阳帘透光。另外如增加玻璃厚度、遮阳帘加厚等单纯增加壁面热阻，而不改善辐射特性的措施，对降温性能改善不大。有了较为准确的乘客舱模型，下一步可以通过集成一维空调系统、冷却系统分析工具，实现瞬态过程实时耦合。同时引入人体热舒适性模型，评判降温过程中人体热舒适性的表现及变化。
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