基于PMV-PPD和EQT指標的乘員艙熱舒適性研究

胡　寧，薛鐵龍，劉　牛

（合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽　合肥　230009）

Hu Ning，Xue Tielong，Liu Niu

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基于PMV-PPD和EQT指標的乘員艙熱舒適性研究

胡寧，薛鐵龍，劉牛

（合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230009）

Hu Ning，Xue Tielong，Liu Niu

摘要：利用STAR-CCM+軟件對某型轎車的乘員艙進行數(shù)值模擬，計算中考慮到太陽輻射和壁面間輻射的影響，設(shè)定太陽的方位角和高度角均為90°，通過仿真得到艙內(nèi)速度場、溫度場以及人體表面溫度的分布；通過建立PMV-PPD指標評價乘員艙的整體熱舒適性，再利用EQT指標評價艙內(nèi)乘員的局部熱舒適性，利用多指標評價體系較為全面地評價乘員艙內(nèi)的熱舒適狀況。

關(guān)鍵詞：PMV-PPD；EQT；熱舒適性；太陽輻射；平均空氣齡

0　引　言

隨著工業(yè)社會的飛速發(fā)展，人們對乘員艙內(nèi)的熱舒適性要求越來越高，研發(fā)人員對熱舒適性問題也越來越重視。但由于乘員艙內(nèi)空間狹窄，結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)部流場混亂，所以，高精度的乘員艙熱舒適性分析依然是現(xiàn)階段的難點。如果乘員艙內(nèi)舒適度和空氣質(zhì)量長時間較差，車內(nèi)乘員會感覺胸悶、注意力不集中，并容易產(chǎn)生疲勞，因此，對乘員艙進行全面的熱舒適性分析是很有必要的。

1　熱舒適性評價指標

預(yù)期平均通感PMV（Predicted Mean Vote）是目前評價均勻熱環(huán)境最常用的指標，而對于一些非均勻的熱環(huán)境，更多的是采用加權(quán)PMV評價指標，文中采用面積加權(quán)法。PMV的熱感覺標尺在-3～+3之間，具體的冷暖感覺劃分見表1。

表1　PMV的熱感覺標尺

不適人員比例PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied）指標是對一特定環(huán)境感到不適人員的比例，由于人與人之間存在差別，即使是在大多數(shù)人都感到舒服的環(huán)境中，仍然會有部分人感到不適，而PPD指標恰好反映了這種差別的存在。

當量溫度EQT（Equivalent Temperature），即空氣溫度分布均勻，濕度在50％的條件下，將暖體假人置于該封閉環(huán)境中，空氣溫度等于輻射溫度，當人體某一部位散熱量與處于真實非均勻環(huán)境中的散熱量相同時，封閉環(huán)境的溫度就稱為該身體部位在真實環(huán)境中的當量溫度。當量溫度分別考慮了各個人體部位的熱舒適性，但具有局部性。

2　模型的建立與邊界設(shè)定

2.1建立數(shù)值模型

通過實車測量，利用三維建模軟件CATIA建立乘員艙模型，包括車體、車窗、內(nèi)飾、座椅和風道等，將三維模型導入Hypermesh中，再將假人模型導入進來，去掉車頂蓋的模型如圖1所示。

圖1　乘員艙的三維模型

2.2計算條件的設(shè)定

由于進出口邊界條件對結(jié)果有較大影響，需保證邊界條件的準確性。設(shè)定進口邊界條件為體積流量入口，入口流量為350m3/h；設(shè)定出口邊界為壓力出口邊界條件，乘員艙進口溫度為7?C。人體邊界采用熱流密度邊界條件，人體在25?C輕微活動的條件下散熱量為117W，所以設(shè)定駕駛員的散熱量為180W，其他成員的散熱量為117W。

引入S2S固體壁面間的輻射模型，其模型中太陽輻射參數(shù)見表2。

表2　太陽輻射參數(shù)

3　數(shù)值模型仿真分析與評價

3.1速度場分析

氣流速度的大小及分布情況對人體的熱舒適性有很大影響。一般來說，當人體周圍的流速在0.3m/s時，人體會感覺比較舒適。人體表面風速分布如圖2所示。

從圖2可以看出，后排乘員的表面風速要略高于駕駛員和副駕駛員體表的風速，后排舒適度要稍好于前排，各乘員體表風速分布較為均勻，基本都在0.3～0.7m/s，后排乘員軀干部位以及前排乘員頭部風速較高，這是進風口直吹的結(jié)果，而頭部較高的風速可以保證頭部周圍空氣的新鮮度。各乘員腿腳部位風速較低，空氣流動緩慢，可以使腿腳部位處于較為溫暖的狀態(tài)，符合頭冷腳熱的分布原則。

圖2　人體表面風速分布圖

3.2溫度場分析

人體對體表的溫度較為敏感，一般當溫度維持在28?C左右時，人體感覺較為舒適。周圍溫度過高或過低都會引起人體舒適度的下降，人體表面溫度分布如圖3所示。

圖3　人體表面溫度分布圖

由圖3可知，除副駕駛員身體出現(xiàn)局部溫度較高外，其他乘員基本上都處于較為舒適的溫度范圍內(nèi)。副駕駛員側(cè)出風口直吹頭部，氣流經(jīng)過頭部后直接流向后排乘員，導致外臂以及下腹部出現(xiàn)局部高溫，合理的調(diào)整格柵角度可以改善舒適度狀況。

表3　人體表面溫度分布表?C

從表3可知人體的溫度大多處于25?C～30?C范圍內(nèi)，這說明乘員在進風口溫度為7?C時，可以獲得很好的體表溫度，但具體舒適程度有待綜合指標的進一步評定。

3.3PMV評價指標

根據(jù)ISO7730中的PMV指標在-0.5～+0.5時，乘員處于舒適狀態(tài)，將PMV指標以STAR-CCM+語言進行編程，得到的加權(quán)PMV分布如圖4所示。

圖4　人體表面PMV值分布

由人體表面的PMV值分布圖可以看出，除副駕駛員下腹及外臂處PMV值分布略高，其他乘員大部分區(qū)域都處于一個合適的PMV范圍內(nèi)，這種PMV分布圖也與人體表面溫度分布相吻合。這也進一步說明當給定一個合理的進風溫度時，可以保證乘員艙內(nèi)良好的熱舒適性。

3.4PPD指標

圖5為艙內(nèi)成員的PPD值分布。

由于乘員PPD值是建立于PMV值之上的函數(shù)，故駕駛室內(nèi)乘員的PPD值分布依賴于PMV值的分布。從不適成員比例來看，基本上控制在10％以下，說明絕大部分乘員處于理想狀態(tài)。但PMV-PPD評價指標也有其局限性，這是一個綜合指標，難以考慮身體局部的熱舒適程度，因此，可以配合EQT指標對乘員艙進行更加全面的評價。

圖5　駕駛室內(nèi)乘員的PPD分布

3.5EQT指標

當量溫度指標將人體的整體熱感覺分解成局部熱感覺，不利于評價整體熱舒適性，但對于基于PMV-PPD指標結(jié)果的進一步局部熱舒適評定卻有重要意義。根據(jù)EQT指標，可以進一步得到在整體舒適的情況下，身體各個部位是否真的處于舒適狀態(tài)，各個乘員的人體表面當量溫度分布如圖6所示。

圖6　車內(nèi)各乘員當量溫度分布

圖6中可以看到，大部分乘員身體各部位處于較為合適的溫度范圍。但副駕駛員的右上臂、右下臂以及右手部位當量溫度偏高，已經(jīng)到臨界溫度邊緣，這是風口直吹軀干及頭部的結(jié)果。

綜合以上整體和局部的熱舒適評價指標，對人體熱舒適程度進行全面分析，PMV-PPD指標平均值為0.135，從全局評價了整個乘員艙內(nèi)乘員處于一個理想的熱舒適區(qū)間。當量溫度指標考慮了每個乘員各身體部位的當量溫度，進一步指出了即使在全局舒適度較高的情況下，副駕駛員的右臂依然出現(xiàn)了局部高溫。

4　試驗結(jié)果對比

為驗證仿真結(jié)果的準確性，對駕駛員身體表面溫度進行測量。在駕駛員頭部、軀干、上肢以及下肢部位布置多個測點，以溫度儀測量測點溫度，計算溫度平均值，見表4。

表4　主駕駛員身體表面溫度分布

由試驗結(jié)果分析可知，試驗測量的溫度比仿真分析溫度略高，但誤差均在10％以下，仿真結(jié)果可信度較高。

5　結(jié)　論

1）利用STAR-CCM+對乘員艙環(huán)境進行數(shù)值模擬仿真計算，得到乘員艙的速度場及溫度場分布，對各個乘員的熱舒適性做了初步分析及預(yù)測。

2）建立多指標評價體系，以PMV-PPD指標為基礎(chǔ)評價全部乘員的整體熱舒適性。又以EQT指標為依據(jù)，衡量車內(nèi)乘員身體各部位的局部熱舒適性。多指標評價體系較為全面地評價了艙內(nèi)乘員的熱舒適狀況，同時也為后期的空調(diào)設(shè)計提供參考。

3）通過試驗對主駕駛員身體表面溫度進行測量，并與理論值進行對比，發(fā)現(xiàn)其誤差低于10％，驗證了仿真結(jié)果的準確性。

參考文獻

[1]孫一寧.車輛HVAC熱環(huán)境舒適性評價及其分析方法[D].長春：吉林大學，2012.

[2]江濤，谷正氣，楊易，等.太陽輻射對乘員熱舒適性影響的研究[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2011，34（8）：1135-1137.

[3]黃木生.基于CFD的微型車乘員艙乘員熱舒適度分析[D].長沙：湖南大學，2013.

[4]Fanger P O.Thermal Comfort[M].Kopenhagen：Dannish Technical Press，1970：244-258.

[5]ISO7730.Moderate Thermal Environment Determination of the PMV and PPD Indices and Specification of the Condition for Thermal Comfort[S].Geneva：International Standard Organization，1984.

[6]王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[7]戴鍋生.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1999.

[8]倪冬香.基于人體熱調(diào)節(jié)模型的轎車乘員艙熱舒適性分析[D].上海：上海交通大學，2010.

[9]申紅麗.汽車乘員艙熱舒適性分析及優(yōu)化[D].長沙：湖南大學，2013.

[10]吳志武.皮卡車空調(diào)和太陽輻射對乘客艙內(nèi)熱流場的影響研究[D].廣州：華南理工大學，2011.

[11]許志寶，陶其銘.基于STAR-CCM+的某轎車乘員艙熱舒適性仿真分析[Z].CDAJ年會，2011.

[12]王俊.兩種出風格柵對乘員熱舒適性影響的對比研究[Z].CDAJ年會，2011.

收稿日期：2015-10-29

文章編號：1002-4581（2016）02-0028-04

中圖分類號：U463.85

文獻標志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.008