0 前言

    隨著生活水平的提高、汽車市場的成熟、氣候條件的惡劣，用戶越來越多的關注到汽車空調(diào)熱舒適性。適宜的熱舒適性，可以緩解駕駛疲勞，調(diào)節(jié)情緒，從而提高駕駛安全性。現(xiàn)階段，隨著消費水平的提高，熱舒適性已不僅僅是高端車的衡量標準，而是深入消費者內(nèi)心的訴求。

    在研究車輛熱舒適性時，由于內(nèi)外環(huán)境因素的相互影響，同時由于有人體感官的參與，通過實驗手段進行分析難度重重，而通過CFD手段則能較好的解決這些問題。通過CFD計算，能獲取乘員艙的速度場與溫度場信息。乘員艙內(nèi)的速度場、溫度場的分布是研究車室內(nèi)氣流組織以及熱舒適性評價與研究的基礎，其分布與很多因素有關，如送、回風口形式、位置；送、回風狀態(tài)、廂體熱特性、乘員艙幾何形狀及熱源分布等。

    目前，美國、歐洲、日本等汽車工業(yè)先進的國家和地區(qū)對CFD的基礎和應用研究都處于領先水平，國內(nèi)也己利用CFD手段基于PMV評價熱舒適性。同濟大學汽車學院與奇瑞汽車就轎車熱環(huán)境模擬及風口面積對乘客舒適性的影響進行了研究，表明改變噴口面積可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)車內(nèi)熱舒適性，空調(diào)設計時可以利用這一點來提高冷負荷的利用率。吉林大學郭莉鈺以炎熱地區(qū)氣象參數(shù)為例，分析室外氣候和太陽輻射對汽車停放過程的影響狀況，以及采用自然預冷措施的作用和特征分析。

    絕大多數(shù)的情況都著重考慮了輻射對熱舒適性的影響，并考慮到車身厚度以及車身傳熱系數(shù)等因素的影響，由于整車開發(fā)過程中玻璃的特性參數(shù)及車身的特性參數(shù)不能準確獲得，對整車開發(fā)產(chǎn)生不利影響，針對于此，本文依據(jù)實驗和標定數(shù)據(jù)，提出一組恒溫壁面邊界條件，利用Star CCM+對乘員艙的速度場與溫度場進行CFD計算，在此基礎上，對監(jiān)測點的PMV值進行計算，從而評估乘員艙的熱舒適性。

1 數(shù)值計算理論

    1.1 理論基礎

    本文采用k-ε三維紊流模型方程。為了簡化問題，作如下假設：①乘員艙內(nèi)空氣為理想氣體；②流動為穩(wěn)態(tài)紊流；③考慮重力影響。

表1 PMV與熱感覺對應關系

    當前，由P.O.Fanger推導出的熱舒適性方程可以計算出人對熱環(huán)境的舒適感覺，并將這種感覺分為7級（見表1）。國際標準化組織推薦的PMV范圍在-0.5～0.5之間，處在這種環(huán)境下人群的預計不滿意者比例為不大于10%。目前國內(nèi)一般推薦PMV值在-0.75～0.75之間可視為適宜熱舒適環(huán)境。

    1.2 計算模型

    針對關注的特別位置，在模型內(nèi)部創(chuàng)建監(jiān)測點陣（如圖1），獲取每個點陣的速度平均值與溫度平均值的信息，再導入PMV方程中求取表征熱舒適性的PMV值。

圖1 某車型乘員艙監(jiān)測點分布

2 數(shù)值分析及優(yōu)化

    2.1 基礎方案

    圖2為原數(shù)據(jù)方案下的吹面風管出風口速度分布，可以看出主駕駛側(cè)和副駕駛側(cè)吹面風管出風口速度較一致，而中間出風口的速度一致性較差，右側(cè)出風口的風速要明顯高于左側(cè)出風口。

圖2 某車型基礎方案吹面風管出風口速度分布

    從表2可看出，在原數(shù)據(jù)方案狀態(tài)下，中間出風口右側(cè)阻力低于左側(cè)出風口，使得中間出風口右側(cè)流量分配高于左側(cè)，對于相同的出風口面積，從而導致中間出風口右側(cè)風速大于左側(cè)。在這樣的影響條件下會導致乘員艙速度均勻性較差，從而導致乘員熱舒適性產(chǎn)生感官上的較大差別。

表2 基礎方案管道流量分配及壓降

    從表3的計算結(jié)果可以看出，由于速度場的不均勻性，使得溫度場的均勻性受到影響，在熱舒適性上體現(xiàn)為不一致。

表3 基礎方案關注點熱舒適性參數(shù)

    2.2 優(yōu)化方案

    針對由于流量分配不均而導致的吹面風管出風口速度差異，通過調(diào)整吹面風管的結(jié)構(gòu)特點，平衡吹面風管各風口的流量分配，從而保證從風口噴出的氣流速度的一致性（如圖3），為整個乘員艙的流場與溫度場的平衡提供最基本的保證。在此基礎上，分別對優(yōu)化方案的速度場與溫度場信息進行統(tǒng)計，利用PMV方程再次衡量熱舒適性。

圖3 某車型優(yōu)化方案吹面風管出風口速度分布

表4 優(yōu)化方案管道流量分配及壓降

    通過優(yōu)化，吹面風管的流量分配趨于平衡（如表4），乘員艙的溫度場與速度場均勻性得到了改善，關注點的熱舒適性參數(shù)處于推薦的較適宜區(qū)間（如表5）。

表5 優(yōu)化方案關注點熱舒適性參數(shù)

3 結(jié)論

    根據(jù)所提出的一組恒溫壁面邊界條件，利用Star CCM+對某車型進行CFD計算，在獲取計算模型的速度場與溫度場后利用PMV方程求取表征熱舒適性的PMV值。結(jié)果表明，在所提出的邊界條件下，能有效反映吹面風管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對乘員艙速度場與溫度場的影響，PMV值對優(yōu)化方案的改動較敏感，該邊界條件能夠作為整車熱舒適性開發(fā)CFD分析的輸入。

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本文標題：基于PMV的汽車空調(diào)熱舒適性模擬與優(yōu)化

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