汽车座舱内部流体动力学分析：预测乘客热舒适性及除霜、除雾效果

项目介绍

伟世通公司采用Altair CFD软件AcuSolve预测汽车乘客瞬态的热舒适性及除霜、除雾的性能。人体舒适模型考虑了温度、速度、太阳辐射、湿度、衣服材质和乘客的活动。为了考察更详细的乘客瞬态舒适性，还置入了假人模型。为了预测除霜性能，将一层冰置于车窗表面，冰融化的这一过程可用潜热模型捕捉。除雾性能可以通过当地的车窗表面空气饱和来预测。

挑战

CFD模型的建立。CFD分析最耗时的是建立一个合适的CFD模型。与此相比，纯粹的计算时间在一定程度上显得略为不重要一些。在汽车的应用中，如汽车空气动力学特性、发动机舱内部流动或座舱内部流动等表面几何外形会极其复杂，在这种情况下，通常的网格划分方式需要好几周，这对于缩短汽车设计周期是难以接受的。 通常在设计初期，详细的CAD几何外形通常还不具备，因此建立几何参数化的模型是十分有效的。如下图所示。

详细分辨流场和温度场需要详细的几何外形和网格。由于参数化后，几何外形的改变十分的迅速和容易，比如设计不同形状的进口和出口会大大加速。

非结构四面体网格全自动方式生成，表面网格的密度及边界层网格需要手工设定。为了充分的预测座舱内部壁面的热流，有必要精确分辨近壁区域的流场和温度场，因此边界层要充分分辨。

解决方案

乘客的热舒适模型

流场或温度场的直接结果如速度，温度无法主观的反应出乘客的热舒适性。因此需要发展一种可以直接为舒适性划分等级的主观衡量方法。这样的方法有很多，这里采用Visteon和堪萨斯州立大学联合开发的基于瞬态能量平衡的方法。乘客的身体被划分成17块部分。

乘客身体的每部分除了考虑平均温度、速度大小，还考虑了太阳辐射、湿度、衣服材质及乘客的活动，采用Visteon的热舒适性模型可以分为几个等级。

空调制冷模拟

一个标准的制冷模拟可分为好几步。汽车置于大气温度43°C的条件下，用太阳能灯照射直到座舱平均温度达到60°C。太阳能灯的辐射功率是1000W/m²。在空调关闭的条件下，舱内的温度由地板附近的50°C至车顶的80°C。要达到这一目的，要首先模拟太阳辐射这一浸透过程。流动完全是自然对流，没有进口，也没有出口。这一模拟过程节点的速度，压力，温度，湍流参数可以输出并用于制冷模拟的初始条件。

空调制热模拟

与制冷模拟相比，制热相对所需时间要少。空气湿度在制热模拟中可以忽略，因此不需要求解物种运输方程。另外也不需要计算太阳辐射。然而由于座舱内的温度差仍然较大，因此仍需封闭辐射模型。总的来说，计算成本要低。

加入假人模型

在标准的风洞测试中，一般没有人体模型置于测试车辆中。之前的CFD模拟也没有加入假人模型。但如果要对乘客的热舒适性了解更详细的话，可以加入人体模型。

这样就可以考察到乘客对流场的影响，也可以直观得看到速度和温度场作用到假人模型上。

除霜除雾模拟

除霜模拟挡风玻璃及侧窗玻璃薄冰层的融化时间和融化形态。该模拟用来评价空调系统是否能够产生足够的暖空气传输到挡风玻璃及侧窗玻璃上。

除霜模拟十分依赖于几何外形，因此模拟的前提要保证几何外形的精确度。一些重要的几何参数包括挡风玻璃大小、倾斜角和曲率、除霜出口的大小和形状、出口与挡风玻璃底部的距离等。冰层和玻璃采用热壳单元建模，施加一定的密度、比热及热传导率等属性，同时也给一定的厚度。玻璃的这些属性是恒定的，而冰层融化后，冰层的材料属性随着时间而改变。假定冰层在+1°时才开始融化。为了精确捕捉座舱内空气与玻璃表面的对流传热，近壁层需要大量的边界层网格。下图是10分钟时除霜通道出口（计算域的进口）冰层融化的形态（以速度云图表征）及冰层融化在不同时间的合成图。挡风玻璃的底部最开始融化，用(X)标出。

除雾与除霜的模拟类似。主要的工作在于定义什么条件下是雾，什么条件下不是雾。雾化十分依赖于玻璃表面附近的局部空气流动状态，因此近壁面需要大量的边界层网格。同样也需要一套方法来定义玻璃表面多少水汽可以被人肉眼看见。本文中对于座舱内空气中得水的含量以及壁面水汽量采用基于当地空气或固壁表面温度，水汽的分压及当地的相对湿度来计算确定。当当地的水汽质量分数高于饱和度，则该处有雾出现。玻璃的材质，周围的环境对成雾的影响很大，因此跟除霜类似，玻璃也采用多层热壳单元建模，同时根据外部空气的速度和温度确定合适的对流传热系数。

上右图是座舱第二排侧窗玻璃表面的除雾模拟过程，红色表示有雾区域，蓝色表示干净区域。模拟的初始向座舱引入一定量的水汽，而此时空调系统关闭。打开空调系统后，干燥的空气作用到侧窗表面，随着时间的推进，除雾范围扩大。

结论

随着汽车设计周期的缩短和客户期待汽车性能的不断提升，CFD在汽车研发的过程中扮演着越来越重要的地位。这表明在开发汽车空调系统时，更多的测试要在更短的时间内完成。采用AcuSolve软件可以很好模拟座舱内部热舒适性分析及除霜除雾分析，包括了太阳辐射、封闭辐射、湿度等众多因素影响，仿真效果很好。

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