基于PMV-PPD與空氣齡的轎車乘員艙內(nèi)熱舒適性分析與改進(jìn)*

張炳力,薛鐵龍,胡忠文

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

?

2015164

基于PMV-PPD與空氣齡的轎車乘員艙內(nèi)熱舒適性分析與改進(jìn)*

張炳力,薛鐵龍,胡忠文

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

應(yīng)用整體求解法計算氣固耦合傳熱問題,并考慮了太陽輻射和壁面間熱輻射對速度場和溫度場的影響，對某款轎車車內(nèi)三維流場和熱環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到了速度場、溫度場和PMV與PPD的分布。仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很接近，相差在5%以內(nèi)。接著對乘員熱舒適性進(jìn)行分析，并使用平均空氣齡對艙內(nèi)空氣新鮮度進(jìn)行評價。結(jié)果表明，在所設(shè)定的環(huán)境條件下，該轎車前排乘客感覺較熱，后排乘客感覺微熱，乘員艙空氣新鮮度較好。據(jù)此，對模型進(jìn)行修改并重新計算。結(jié)果顯示，乘員艙的熱舒適性得到了改善。

乘員艙；熱舒適性；PMV；PPD；空氣齡

前言

乘坐汽車時，車內(nèi)空氣是否新鮮、溫度是否適宜是決定人們乘坐舒適度的重要因素。由于車室內(nèi)空間狹小，環(huán)境復(fù)雜，駕駛環(huán)境也在不斷變化，影響車室內(nèi)環(huán)境的因素較多，因此，車室內(nèi)環(huán)境舒適性問題日益凸顯，已經(jīng)成為高品質(zhì)汽車研發(fā)過程中較難解決的一環(huán)。

近年來有關(guān)車輛熱環(huán)境的數(shù)值模擬已有研究人員做過相關(guān)工作，文獻(xiàn)[1]中通過計算流體動力學(xué)軟件對某重型貨車空調(diào)系統(tǒng)和乘員艙中的氣流進(jìn)行數(shù)值仿真，采用當(dāng)量溫度作為評價指標(biāo)，對乘員艙的熱舒適性進(jìn)行分析;文獻(xiàn)[2]中討論了太陽輻射、空調(diào)出風(fēng)口位置與角度對車室內(nèi)溫度場的影響；文獻(xiàn)[3]中研究了外部環(huán)境和汽車空調(diào)系統(tǒng)對汽車乘員艙熱環(huán)境的影響，利用人體熱舒適性數(shù)值模型分析了乘員艙熱環(huán)境和乘員熱舒適性的關(guān)系；文獻(xiàn)[4]中討論了不同車窗玻璃特性對車內(nèi)溫度場的影響。但這些研究主要是單純針對空氣流場和溫度場進(jìn)行分析，沒有考慮人體和環(huán)境等各種因素的綜合作用結(jié)果，也沒有使用一個科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)對車室內(nèi)熱舒適性和空氣品質(zhì)進(jìn)行評估。

本文中在某款轎車的三維模型的基礎(chǔ)上，加入駕駛員和乘客三維人體模型，對車室內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值計算。在計算中綜合考慮了太陽輻射、對流換熱、車體熱輻射、人體散熱和濕度對乘員艙內(nèi)流場的影響，考慮了人體因素和環(huán)境因素對熱舒適性的綜合作用，應(yīng)用預(yù)期平均通感(predicted mean vote, PMV)和不適人員比例(predicted percentage of dissatisfied, PPD)值對乘員熱舒適性進(jìn)行評價分析，并使用平均空氣齡對乘員艙內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行評價。

1 PMV-PPD和空氣齡

1.1 熱舒適與PMV-PPD指標(biāo)

在美國供暖空調(diào)工程師學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)中對熱舒適性已有明確的定義，即：熱舒適是對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)。很多學(xué)者對熱舒適的評價方法進(jìn)行了研究，并根據(jù)各種不同的評價方法先后提出了一系列的評價指標(biāo)，如有效溫度(ET)、新有效溫度(ET*)、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(SET)、熱應(yīng)力指標(biāo)(H.S.I)等[5-7]。其中，文獻(xiàn)[8]中不僅建立了人體熱平衡方程，繪制了舒適圖，還制定了PMV值七點(diǎn)式標(biāo)尺，確定了PMV數(shù)學(xué)解析式和PMV與PPD指標(biāo)間的定量關(guān)系。經(jīng)過多年的實(shí)踐檢驗(yàn)，現(xiàn)在得到世界上的大多數(shù)專家的認(rèn)可，其中PMV和PPD指標(biāo)已被訂入國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730。該指標(biāo)綜合考慮了人體活動程度、衣服熱阻、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速和空氣相對濕度等6個因素，以滿足人體熱平衡方程為條件，通過主觀感覺試驗(yàn)確定出絕大多數(shù)人的冷暖感覺等級，并制定出PMV的熱感覺標(biāo)尺，如表1所示。比如，若通過計算得到人體PMV值為1.5，即表明此人熱感覺處于微暖與暖之間。

表1 PMV熱感覺標(biāo)尺

PPD為預(yù)計對熱舒適性不滿意者的百分?jǐn)?shù)，它可以對不滿意的人數(shù)給出定量的預(yù)計值，可預(yù)計群體中感覺過暖或過冷的人的百分?jǐn)?shù)。使用PMV和PPD對乘員艙內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行綜合評價，即可得到乘員艙內(nèi)成員熱舒適性水平。

因此，可使用PMV-PPD指標(biāo)對車室內(nèi)乘員熱舒適性進(jìn)行科學(xué)的評價。

1.2 PMV-PPD指標(biāo)適用范圍

由于PMV方程是通過實(shí)驗(yàn)調(diào)查統(tǒng)計和傳熱學(xué)理論相結(jié)合推導(dǎo)出來的，對人體舒適感影響參數(shù)的考慮比較全面，在一定范圍內(nèi)可以通過對人體熱負(fù)荷的計算評價熱舒適的好壞。但是，將其用于評價車室內(nèi)乘員的熱舒適性還處于探索階段，主要障礙是PMV-PPD評價指標(biāo)存在著一定的適用范圍，如果超出適用范圍，PMV-PPD指標(biāo)就會失去其準(zhǔn)確性。

在使用PMV-PPD指標(biāo)時必須滿足[9]：(1)人體必須長時間處于比較穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)；(2)皮膚表面具有接近舒適時的溫度；(3)人體具有接近舒適的最佳排汗率。

因此，考慮到PMV熱舒適方程的適用范圍，在進(jìn)行乘員艙熱舒適性評價時，對環(huán)境條件和乘員身體條件進(jìn)行了限制。設(shè)置環(huán)境條件為：天空晴朗，環(huán)境溫度為33℃，濕度適中。乘員身體條件為：乘員無大運(yùn)動量，身體表面溫度正常，排汗率正常。

1.3 PMV-PPD數(shù)值計算

PMV的計算式，即熱舒適方程[8]為

PMV=(0.303e(-0.036M)+0.028)×((M-W)-H-

Ec-Cres-Eres)

(1)

式中：M為人體能量代謝率，W/m2，由人體活動量大小決定；W為人體單位表面積所做的機(jī)械功，W/m2；H為人體表面的對流、輻射的熱損失，W/m2；Ec為皮膚上的散熱和出汗散熱量，W/m2；Cres為呼吸中的顯熱損失量，W/m2；Eres為呼吸中的潛熱損失量，W/m2。

1.3.1 對流、輻射的熱損失

人體表面對流、輻射熱損失為

H=3.96×10-8×fc1((tc1+273)4-(tr+273)4)-fc1×

hc×(tc1-ta)

(2)

式中：fc1為人體著裝后實(shí)際表面與其裸身表面積之比，即著衣面積系數(shù)；tc1為衣服的表面溫度，℃；tr為平均輻射溫度，℃；hc為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；ta為人體周圍的空氣溫度，℃。

其中，著衣面積系數(shù)可按式(3)進(jìn)行計算：

當(dāng)Ic1<0.078時，fc1=1.00+1.290Ic1；

當(dāng)Ic1>0.078時，fc1=1.05+0.645Ic1

(3)

式中Ic1為服裝的熱阻，(m2·K)/W。

衣服表面溫度tc1可按式(4)計算：

tc1=35.7-0.028(M-W)-Ic1(3.96×10-8×fc1((tc1+

273)4-(tr+273)4)+fc1×hc×(tc1-ta))

(4)

注意：因式(4)右邊也含有tc1，故須反復(fù)試算逐漸逼近而求得。

對流換熱系數(shù)hc可按式(5)計算：

hc=2.38×(tc1-ta)0.25；

(5)

式中Var為空氣的相對流速，m/s。

1.3.2 皮膚上的散熱和出汗散熱量

皮膚上的散熱和出汗散熱量Ec為

Ec=3.05×10-3×(5733-6.99×

(M-W)-pa)+0.42×((M-W)-58.15)

(6)

式中pa為人體周圍空氣的水蒸氣分壓力，Pa。

1.3.3 呼吸中的顯熱損失量

呼吸中的顯熱損失是指呼吸過程中引發(fā)了空氣溫度變化的熱量損失，其計算式為

Cres=0.0014×M×34-ta

(7)

1.3.4 呼吸中的潛熱損失量

呼吸中的潛熱損失是指呼吸過程中沒有引發(fā)空氣溫度變化的熱量損失，其計算式為

Eres=1.72×10-5×M×(5867-pa)

(8)

由以上公式可知，PMV值取決于8個獨(dú)立變量：M、W、tcl、tr、Icl、ta、Var和pa。因此，根據(jù)熱舒適方程，若W不予考慮，而衣著、勞動強(qiáng)度和水蒸氣分壓力確定后，則風(fēng)速、平均輻射溫度和空氣溫度是影響人體熱舒適的主要因素。

1.3.5 PPD

當(dāng)確定PMV值之后，則PPD值可按式(9)算得：

PPD=100-95×e-(0.03353×PMV4+0.2179×PMV2)

(9)

在仿真時，由仿真軟件無法直接得出乘員的PMV值和PPD值，須將PMV和PPD的數(shù)值計算式通過編程的方式輸入仿真軟件中，由仿真軟件通過各點(diǎn)的溫度值、速度值和濕度值等條件進(jìn)行計算得出PMV值和PPD值，再取平均值以得到最終結(jié)果。

1.4 空氣品質(zhì)與空氣齡

在乘坐汽車時，好的空氣品質(zhì)使人感到神清氣爽，心情愉悅，而在夏季和冬季，由于車廂封閉，導(dǎo)致車室內(nèi)空氣流動性差，乘員會感到空氣不新鮮，甚至聞到異味，從而嚴(yán)重降低了乘坐舒適性。因此，封閉車廂內(nèi)空氣品質(zhì)的評估及分析非常重要且有意義。

為了定量評價室內(nèi)氣流組織的優(yōu)劣，各國學(xué)者提出了如宏觀空氣交換率、換氣效率、通風(fēng)效率、凈空氣流量等多種指標(biāo)，這些指標(biāo)大多數(shù)均與空氣齡參數(shù)有關(guān)，空氣齡最早在20世紀(jì)80年代由Sandberg學(xué)者提出，其為氣流進(jìn)入室內(nèi)后，到達(dá)室內(nèi)某一點(diǎn)的時間。空氣齡反映了局部氣流分布的好壞，同時反映室內(nèi)空氣的新鮮程度，結(jié)合溫度場和速度場，可以評價通風(fēng)系統(tǒng)的好壞?？諝恺g越小，空氣越新鮮，空氣品質(zhì)就越好。

一般來說，空氣齡與送風(fēng)的風(fēng)量、送風(fēng)溫度和具體環(huán)境條件有關(guān)。送風(fēng)量越大，空氣齡數(shù)值越小。而送風(fēng)溫度對空氣齡的影響則需要結(jié)合具體環(huán)境條件進(jìn)行綜合考慮[10]。從統(tǒng)計學(xué)的角度來分析，室內(nèi)某一點(diǎn)的空氣是由大量不同的空氣微團(tuán)所組成，某一點(diǎn)的空氣齡為該點(diǎn)所有空氣微團(tuán)的空氣齡的平均值。因此，可以通過數(shù)值計算得到平均空氣齡(mean age of air)以評價空氣的新鮮度[11]。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

在對實(shí)車進(jìn)行測繪后，使用三維建模軟件CATIA對乘員艙進(jìn)行建模，物理模型包括車體、內(nèi)部飾件、座椅、風(fēng)道等，由于計算需要的是空氣流過的乘員艙內(nèi)表面，因此，將CATIA三維幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)入Hypermesh中后導(dǎo)入假人模型，提取內(nèi)表面處理并生成面網(wǎng)格，導(dǎo)入STAR-CCM+中，處理后的模型如圖1所示。

將車門、車窗和車頂隱藏后，車室內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，前后排共安排4個假人模擬駕駛員及乘客。冷空氣通過10個進(jìn)風(fēng)口送入車內(nèi)，分別為車室前排中央2個進(jìn)風(fēng)口和左右兩側(cè)2個進(jìn)風(fēng)口，腳部4個進(jìn)風(fēng)口，車室后排中央2個進(jìn)風(fēng)口，由車后部1個出風(fēng)口流出車廂。

2.2 網(wǎng)格劃分

整個計算模型采用四面體網(wǎng)格，在STAR-CCM+中劃分網(wǎng)格，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，對多處局部進(jìn)行加密，得到求解域的體網(wǎng)格數(shù)量為5 306 522。劃分體網(wǎng)格后模型如圖3所示。

2.3 數(shù)值計算模擬方法和邊界條件

2.3.1 求解域離散及流場計算方法

為了提高計算的精確性，空間離散方式采用2階迎風(fēng)差分格式；流場計算方法選用Simple算法，其屬于壓力修正法的一種，適用于大部分流體計算，并且能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性[12]。

2.3.2 湍流模擬方法

本文中仿真計算所使用的模型比較復(fù)雜，流體流動屬于空氣低速流動，部分區(qū)域邊界曲率較大，為保證湍流模擬的準(zhǔn)確性，采用Realizablek-epsilon湍流模型[12]。

2.3.3 太陽輻射以及壁面間輻射的處理

太陽輻射的能量具有按波長分布的特點(diǎn)，其中可見光波段占50%，紅外線區(qū)占43%，紫外線區(qū)占7%。由于紫外線所占的份額較小，計算中將其能量按比例折算到可見光和紅外線中，因此，太陽輻射在車內(nèi)的分布采用射線追蹤法，能夠較準(zhǔn)確地模擬陽光照射對車內(nèi)環(huán)境的影響。

固體壁面間的輻射采用S2S模型，其根據(jù)固體壁面間的角系數(shù)及波爾茲曼原理計算輻射傳熱量[12]。

2.3.4 人體熱邊界條件設(shè)置

人體散熱與性別、年齡、衣著、勞動強(qiáng)度以及環(huán)境條件等多種因素有關(guān)。在人體散發(fā)出的熱量中，對流成分占20%，輻射成分占40%，其余40%則為潛熱。由于人體本身適應(yīng)環(huán)境的自我調(diào)節(jié)作用和人體各部分的生理聯(lián)系較為復(fù)雜，對于人體的散熱量的模擬只能進(jìn)行適當(dāng)簡化。有關(guān)資料表明，成年男子散熱量為116W，駕駛員散熱量較高，為176W[13]。在本仿真計算中，人體的熱邊界條件設(shè)置為：人體表面均勻散熱，駕駛員散熱量設(shè)為176W，其余成員散熱量為116W。

2.3.5 其余邊界條件

計算域入口條件是在實(shí)車試驗(yàn)中使用流量計檢測所得；計算域出口使用默認(rèn)壓力出口；空氣濕度和太陽輻射參數(shù)選用中部某城市夏季典型天氣條件的參數(shù)，時間為正午12∶00，太陽方位角為90°，高度角為90°。由于是穩(wěn)態(tài)計算，為了使計算能盡快收斂，因此初始條件設(shè)置環(huán)境溫度為實(shí)車實(shí)驗(yàn)時溫度，其余初始條件以進(jìn)口條件給定。具體計算邊界條件如表2所示。

表2 其余計算邊界條件

3 數(shù)值計算仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 乘員艙內(nèi)氣流組織情況分析

圖4為乘員艙內(nèi)的氣流流線圖。從圖中可見，從出風(fēng)口吹出的氣流沿著格柵引導(dǎo)的方向流出。前排出風(fēng)口氣流大部分流入后排，與后排以及腳部出風(fēng)口氣流匯合，在后排乘員與前排座椅之間形成渦流，氣流回流到乘員的小腿和腳部，使乘員下半身得到冷卻，對后排乘員進(jìn)行降溫。

僅從流線圖即可看出，前排吹面氣流大部分流向后排，使得前排乘客軀干及大腿處氣流較少，會影響其散熱，對乘員熱舒適性產(chǎn)生不利影響。

風(fēng)口布置位置對乘坐舒適性也有很大影響，應(yīng)盡量避免直吹令人感到不舒服的部位。由圖4可見，前排中央及兩側(cè)出風(fēng)口吹出的氣流直接射向駕駛員和副駕駛員頭部，雖然使其頭部能盡快降溫，但氣流對面部敏感部位直吹易使人感到不適。

3.2 速度場分析

空氣的流速和方向?qū)θ梭w舒適性影響很大。夏季，氣流速度稍大些，有利于人體散熱降溫；但過大的風(fēng)速直接吹到人體上，則會使人感到不適。舒適的氣流速度一般為0.25m/s左右。當(dāng)氣流速度達(dá)到0.15m/s時，就可以感到空氣清新而產(chǎn)生新鮮感；反之，即使室內(nèi)氣溫適宜，但氣流速度很小，也會使人感到沉悶[14]。

乘員身體表面風(fēng)速分布如圖5所示。由圖5可知，前后排乘員身體表面風(fēng)速大部分較為均勻，約為0.3～0.5m/s。由于夏季以快速降溫為主，風(fēng)速比最佳舒適風(fēng)速稍大，可以接受。但駕駛員和副駕駛員頭部風(fēng)速過大，這是前排中央及兩側(cè)出風(fēng)口偏向頭部造成的，雖然可以手動調(diào)整格柵角度使風(fēng)向稍偏離頭部，但還是會產(chǎn)生不適。

由速度流場分析可知，后排乘客所處風(fēng)速區(qū)間較好，駕駛員和副駕駛員頭部位置附近風(fēng)速過大，舒適性較差?？蓪η芭懦鲲L(fēng)口方向及格柵角度進(jìn)行調(diào)整，使風(fēng)量分布更為均勻，提高舒適性。

3.3 溫度場分析

根據(jù)習(xí)慣，在滿足人體健康條件下，一般28℃是舒適感的分界點(diǎn)。夏季車內(nèi)平均溫度推薦值為25～28℃[14]。

如圖6所示，艙內(nèi)乘員大部分處于溫度舒適區(qū)間，體表溫度小于30℃，但仍有些部位溫度較高，現(xiàn)統(tǒng)計出艙內(nèi)各乘員身體表面主要部位平均溫度，如表3所示。

表3 乘員身體表面主要部位平均溫度 ℃

由表3可見，體表溫度較高的位置有駕駛員腿部和腳部、副駕駛員腿部和腳部以及乘員1的軀干。

結(jié)合前文速度場綜合分析，造成局部溫度高有3個原因：一是前排吹腳氣流風(fēng)速較小，出口位置設(shè)計不當(dāng)，致使駕駛員和副駕駛員腳部和腿部溫度高；二是前排氣流大部分直接流向后排，未能對前排乘客下半身進(jìn)行有效降溫；三是吹向后排的氣流也很少有流經(jīng)后排乘客兩側(cè)部位，使其軀干兩側(cè)溫度較高。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

測量駕駛員后排乘員1身體表面溫度以驗(yàn)證仿真準(zhǔn)確性。試驗(yàn)時環(huán)境條件及車況如表4所示。采用手持式紅外溫度儀采集測點(diǎn)溫度，分別在試驗(yàn)開始時和車室內(nèi)溫度穩(wěn)定后，測量乘員1頭部、手臂、腿部和軀干部的溫度。

表4 試驗(yàn)條件

對每個測點(diǎn)多次測量取平均值以作為最終測量結(jié)果，將部分仿真計算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)初始時測量數(shù)據(jù)和最終測量數(shù)據(jù)列于表5以作對比，可以看出，試驗(yàn)與計算二者基本吻合，誤差在5%以內(nèi)，說明模擬仿真結(jié)果的正確性。

表5 人體表面平均溫度 ℃

4 熱舒適性評價

4.1 PMV-PPD評價

按照ISO 7730中PMV-PPD指標(biāo)的推薦值，當(dāng)PMV處于-0.5～0.5，PPD小于10%時，人體處于舒適狀態(tài)；當(dāng)PMV=0，PPD=5%時，人體處于最佳舒適狀態(tài)[15]。

將PMV和PPD的數(shù)學(xué)分析式用STAR-CCM+所使用的編程語言進(jìn)行編程后，可得出人體表面的PMV值和PPD值分布。PMV和PPD分布分別由圖7和圖8所示。

由圖7可見，艙內(nèi)乘員PMV值大都集中于0.8～0.9，且由溫度場得到的體表溫度較高位置的PMV數(shù)值也大都偏高，具體數(shù)值如表6所示。

表6 乘員PMV值

對照PMV熱感覺標(biāo)尺可知，此時艙內(nèi)后排乘員感覺舒適偏熱，前排駕駛員與副駕駛員感覺較熱，這與上文速度場以及溫度場分析結(jié)果大體一致。由圖8可知，艙內(nèi)乘員PPD值處于20%～25%，表示在此工況下，該轎車艙內(nèi)乘員有20%～25%會感覺較熱，不滿足國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 7730中-0.5

4.2 空氣品質(zhì)分析

本文中在STAR-CCM+中編寫函數(shù)并進(jìn)行計算后，得到了乘員艙內(nèi)的空氣齡分布。選取Y=-400mm截面描述乘員艙內(nèi)垂直方向上空氣新鮮度。如圖9所示，在駕駛員所處位置的垂直方向上，頭部位置空氣齡約為20s，空氣新鮮度較好，這與上文駕駛員頭部附近風(fēng)速較大結(jié)果一致。身體周圍空氣齡約為30～40s，在前風(fēng)窗玻璃下緣附近，由于氣流很難到達(dá)，空氣齡超過60s。

選取Z=950mm橫截面以描述艙內(nèi)水平面整體空氣新鮮度。如圖10所示，駕駛員及副駕駛員頭部位置空氣齡約為20s，后排乘客頭部空氣齡約為30s，空氣新鮮度較好。

總體來看，艙內(nèi)空氣的空氣齡較小，特別是乘員頭部空氣齡大都處于25s左右，空氣駐留時間較短，空氣新鮮度較好。結(jié)合速度分布圖與空氣齡分布圖，說明室內(nèi)氣流組織直接影響空氣齡，氣流組織越差，空氣齡越大，空氣品質(zhì)越差。

5 對空調(diào)系統(tǒng)改進(jìn)并分析

5.1 空調(diào)系統(tǒng)改進(jìn)方案

為了改善乘員艙的熱舒適性，使流場分布更加合理，須對空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

(1) 前排左、右兩側(cè)出風(fēng)口位置

改變前排左、右兩側(cè)出風(fēng)口位置，將其分別向兩側(cè)平移，使氣流不會直吹前排乘員頭部，以使前排乘客感覺更為舒適；同時，增加了后排冷卻風(fēng)量，也提升了后排乘客乘坐熱舒適性。

(2) 前排吹腳出風(fēng)口位置

改變前排左、右吹腳出風(fēng)口位置，將出口向乘員腳部平移，以加強(qiáng)對前排乘員腿部和腳部的降溫。

(3) 后排中央吹面風(fēng)道

改變后排中央吹面風(fēng)道，將其整體下移，使氣流更好地吹向后排乘客的軀干，解決后排乘客軀干溫度較高的問題，提升其熱舒適性。

5.2 改進(jìn)后人體表面溫度

綜合考慮所提出的3種改進(jìn)方案，對模型進(jìn)行重新計算。風(fēng)道改進(jìn)后人體表面溫度分布如圖11所示。

由圖11可見，改進(jìn)前成員身體表面溫度較高的部位，如駕駛員和副駕駛員的腿部和腳部、乘員1的軀干部位，溫度均有所降低。具體數(shù)值如表7所示。

5.3 改進(jìn)后PMV-PPD值

改進(jìn)后人體表面PMV值如圖12所示。

由圖12可見，艙內(nèi)乘員PMV值集中于0.8～0.85，具體數(shù)值如表8所示。

表7 改進(jìn)后乘員身體表面主要部位平均溫度 ℃

表8 改進(jìn)后乘員PMV值

對照PMV熱感覺標(biāo)尺可知，此時艙內(nèi)前后排乘員均感覺較舒適，對比模型改進(jìn)前其舒適性有了提升。通過計算，此時艙內(nèi)乘員PPD值處于8%～13%，雖然仍未完全滿足PPD<10%的要求，但比改進(jìn)前已經(jīng)有了很大提升。

6 結(jié)論

(1) 本文中通過考慮特定情況下太陽輻射、固體壁面間的熱輻射以及濕度來進(jìn)行乘員熱舒適性分析，更符合實(shí)際情況。應(yīng)用STAR-CCM+對乘員艙環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，得出艙內(nèi)速度場、溫度場、PMV和PPD的分布，并基于PMV-PPD、空氣齡直觀形象的數(shù)據(jù)和圖形，對乘員艙內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了科學(xué)合理且可視化的數(shù)值預(yù)測和評價。

(2) 將人體表面溫度的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，其誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了用CFD進(jìn)行數(shù)值仿真的可行性。

(3) 乘員艙內(nèi)氣流組織、空氣品質(zhì)與人體熱舒適三者密切相關(guān)，PMV-PPD和空氣齡能對三者關(guān)系做出綜合的評價，可為乘員艙內(nèi)熱環(huán)境研究、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及運(yùn)行調(diào)節(jié)提供參考。

(4) 進(jìn)風(fēng)口的位置布置以及格柵角度對車艙內(nèi)空氣流場有很大影響。如果布置不合理，會造成局部過冷或過熱。本車型中，前排出風(fēng)口氣流大部分流入后排，未能對前排乘客進(jìn)行有效降溫，同時吹腳出口設(shè)計不合理，導(dǎo)致前排乘客局部溫度過高，熱舒適性較差。

(5) 將空調(diào)風(fēng)道和出口進(jìn)行局部改進(jìn)，改變了出風(fēng)口位置和風(fēng)道結(jié)構(gòu)。從改進(jìn)后的仿真結(jié)果來看，乘員熱舒適性得到了提升。

[1] 盧克龍,谷正氣,賈新建,等.某重型貨車空調(diào)系統(tǒng)對乘員艙熱舒適性影響的分析與改進(jìn)[J].汽車工程,2011,33(2):162-166.

[2] Vivek P A, Abdul N, Nagpurwala Q H. Numerical Studies on the Effect of Cooling Vent Setting and Solar Radiation on Air Flow and Temperature Distribution in a Passenger Car[C]. SAE Paper 2009-28-0048.

[3] Han T Y, Chen K H, Khalighi B, et al. Assessment of Various Environmental Thermal Loads on Passenger Thermal Comfort[C]. SAE Paper 2010-01-120.

[4] 張文燦,陳吉清,蘭鳳崇.太陽輻射下車窗玻璃特性對車內(nèi)溫度場的影響研究[J].機(jī)械工程學(xué)報,2011,47(22):119-125.

[5] Junichiro Hara, Katsuro Fujitani, Kunio Kuwahara. Computer Simulation of Passenger Compartment Air Flow[C]. SAE Paper 881749.

[6] Lee Sang-Joon, Yoon Jong-Hwan, Kim Ki-Won. Simultaneous Measurement of Temperature and Velocity Fields of Ventilation Flow in a Passenger Compartment[C]. SAE Paper 98292.

[7] Yuji Ishihara, Junichiro Hara, Hideyuki Sakamoto. Determination of Flow Distribution in a Vehicle Interior Using a Visualization and Computation Techniques[C]. SAE Paper 910310.

[8] Fanger P O. Thermal Comfort[M]. Kopenhagen, Dannish Technical Press,1970.

[9] 許景峰.淺談PMV方程的適用范圍[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報,2005,27(3):13-18.

[10] 吳文忠.地鐵島式站臺空氣齡及火災(zāi)防排煙研究[D].天津:天津大學(xué),2009.

[11] Kwang-Chul Noh, Hyeon-Cheol Lee, Jung-Il Park, et al. Prediction and Evaluation of Cleanliness Levels Inside a Mini-Environment by Measuing Mean Air-Age and Effective Flow Rate[J]. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing,2008,21(2).

[12] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[13] 陳江平,孫召璞,闊雄才,等.載人車室內(nèi)部空氣流場溫度場的數(shù)值模擬[J].汽車工程,1999,21(5):309-313.

[14] 李祥峰.汽車空調(diào)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

[15] IOS 7730. Moderate Thermal Environment-determination of the PMV and PPD Indices and Specification of the Condition for Thermal Comfort[S]. Geneva: International Standard Organization,1984.

Analysis and Improvement of the Thermal Comfort in the PassengerCompartment of a Car Based on PMV/PPD and Air Age

Zhang Bingli, Xue Tielong & Hu Zhongwen

SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009

By applying integrated method to solve the gas-solid coupling heat transfer problem with considerations of the effects of solar radiation and wall-to-wall heat radiation on velocity field and temperature field, a numerical simulation on the interior 3D flow field and thermal environment of a car is conducted with its velocity field, temperature field and the distributions of PMV and PPD obtained, which are very close to the results of test performed with a relative error within 5%. Then the thermal comfort of occupants is analyzed with the air freshness in passenger compartment evaluated by the mean age of air. The results indicate that in the environmental conditions set, while the air freshness in passenger compartment is relatively good, front passengers feel hot and rear passengers feel slightly hot. Accordingly the model is modified and re-simulated, resulting in improvement in the thermal comfort of passenger compartment.

passenger compartment; thermal comfort; PMV; PPD; mean age of air

*校企合作項(xiàng)目(12-150)資助。

原稿收到日期為2013年9月3日，修改稿收到日期為2014年4月15日。