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空调车室内瞬态温度场的数值模拟

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空调车室内瞬态温度场的数值模拟 ·空调车室内瞬态温度场的数值模拟· 文章编号:1002-4581(2008)02-0008-04 空调车室内瞬态温度场的数值模拟 丁能根1,洪四华1,葛 尧2,刘 峰1 DINGNeng—genl,HONGSi·hual,GEYa02,LIUFen91 (1.北京航空航天大学汽车工程系,北京100083;2.北京恩吉威机电科技发展有限公司北京100000) 摘 要:确定空调车室内流场和温度场的分布和变化过程是其气流组织设计及车室内舒适环境评价与研究的基 础。空调车室的流场、温度场数值计算是包含复杂流动边界、复杂热...
空调车室内瞬态温度场的数值模拟
·空调车室内瞬态温度场的数值模拟· 文章编号:1002-4581(2008)02-0008-04 空调车室内瞬态温度场的数值模拟 丁能根1,洪四华1,葛 尧2,刘 峰1 DINGNeng—genl,HONGSi·hual,GEYa02,LIUFen91 (1.北京航空航天大学汽车工程系,北京100083;2.北京恩吉威机电科技发展有限公司北京100000) 摘 要:确定空调车室内流场和温度场的分布和变化过程是其气流组织设计及车室内舒适环境评价与研究的基 础。空调车室的流场、温度场数值计算是包含复杂流动边界、复杂热边界的数值计算问。文中介绍了空调车室内空气流 动的模型及复杂边界条件的处理。讨论了瞬态温度场模拟的几个问题。通过Fluent软件完成空调车室内的瞬态温度 场的模拟分析。得到了合理的车室气流组织情况和温度分布结果。 关键词:CFD;空调车室;瞬态温度场;数值模拟 中图分类号:U467.4+1 0引 言 空调车室内气流组织及热舒适性与流场、 温度场密切相关。在炎热的夏天,经过烈日暴晒 之后的车室温度有时高达50。C以上。如果空调 系统不能有效、快速地发挥作用,人体将会产生 不舒适感,影响到车室的乘坐舒适性。因此,通 过数值研究带有复杂几何边界、复杂热边 界以及自然对流、辐射同时存在的车室复杂流 动与传热问题,具有重要意义。通过车室流场和 温度场的数值模拟,可以大大缩短汽车空调系 统的开发周期。 世界各大汽车公司均借助计算流体技术对 车室内部空气流动与传热情况进行数值模拟[I-3】。 但是,关于车室流场、温度场的模拟还停留在稳 态水平上,即只能计算达到热平衡之后的流场、 温度场。本文侧重于瞬态流场、温度场的模拟,解 决了从空调启动送冷风到车室达到热平衡的温 度变化历程的计算问题,可明确给出降温所花的 时间,为热环境模拟提供了参考。 -8· 文献标识码:A 车室热边界条件的处理 1.1太阳辐射的处理 在数值计算中,太阳辐射的准确计算是关键 之一。对于太阳辐射不能穿过的部分,如顶棚、侧 围等,由于太阳辐射使车身外面温度升高,相 当部分热量将传人车内,构成车身热负荷的一部 分。因此,可以将太阳辐射强度化成相当的温度 形式,与车外温度迭加在一起,组成太阳照射表 面综合温度,取名日照表面综合温度tc。用fc来 进行车身壁面传热计算就比较简单[4]。 fc一掣电H (1) 口H 式中: 口H一车外空气与日照表面的对流换热系数; P一车身外表面吸收系数,可取0.9; 厶太阳总的辐射强度,对于车顶面,,顶:,水平; T .,对于车侧面,,翻=生学。推荐值(8月1日): ‘ ,水平=843W/m2,,垂直=12W/m2,散射辐射强度,S= 120W/m2;tH一车外温度,取35。C; 对于地板,没有受到太阳辐射的影响,但是 万方数据 ·空调车室内瞬态温度场的数值模拟· 受到地面反射热的影响,可取: t。地=“+3。C 1.2门窗玻璃的热边界条件 对于乘用车,玻璃窗所占的面积很大,太阳 辐射所带来的问题显著,准确确定其热边界条 件,对模拟结果的准确性影响很大。考虑到车内 外温差和透过玻璃的太阳辐射,传人热量由以下 两部分组成。 (1)由于车内外温差而引起的热流密度: 91=K玻(tH-tB)(2) 式中:K玻-玻璃窗的传热系数; tn一车内温度。 (2)由于太阳辐射通过玻璃而引起的热流 密度: q2=(17+P岂旦)巧(3) U H 式中:叩一太阳辐射通过玻璃窗的透入系数; P-玻璃对太阳热的吸收系数; 理n一内表面放热系数; 厶车窗外表面总的太阳辐射强度; 5-遮阳修正系数。 1.3人体热边界条件确定 人体皮肤表面温度和热流密度(即人体的 热边界条件)直接决定人体热舒适性,并控制人 体调节机构作出相应的反应。由于人体生理特点 和人的个性差异,采用数值计算研究载人车室内 部环境时,存在以下困难【5】: (1)人的高矮、胖瘦、性别、年龄的差异和 着装直接影响人体表面热边界条件的取值; (2)由于人体热舒适性由皮肤表面温度和 通过皮肤的热流密度确定,在数值计算中设定第 一类或第二类边界条件时预先定义了热舒适性 的范围; . (3)人体本身适应环境的自我调节作用和 人体各部分的生理联系无法在数值计算中考虑; (4)有关资料表明,人体发热量几乎与室温 无关,约为116W,驾驶员约为176WE61,但室温变 化时,人体以传热、对流、辐射等方式的显热散热 和由于出汗等湿交换引起蒸发散热将发生变化。 为简化计算,建议在汽车中乘员不分司机与 乘客,都按116W的发热量进行计算‘引。 2空调车室内瞬态温度场数值分析 建模 对于空调车室内复杂的流场和温度场的数 值模拟,应采用三维的模型来进行数值模拟。为 了简化问题,做如下假设:(1)车室内空气为不 可压缩且符合Boussinesq假设;(2)空调车室气 密性良好,除指定出口外无空气泄漏。空调车室 内空气的三维流动与传热满足:质量守恒方程、 动量守恒方程、能量守恒方程。 2.1车室的几何构造 车室的几何构造用UGNX2.0从整车数模 中提取,主要包括顶棚、车窗、车门内饰、仪表板 总成、转向盘、扶手箱、座椅、侧围和地板。为了准 确反映车室内的流动与传热状况,必须在座椅上 放上假人。车室的几何构造如图l所示。 图1车室的几何构造 2.2网格划分 采用美国NASA开发的CFD专用网格划分 软件Gridgen对乘员舱进行网格划分。数值模拟 中,网格的精密程度影响计算结果的精确性和收 敛性。必须事先估计流场中流体的梯度变化较大 的地方,在这些地方,网格必须作适当的调整。在 近壁区及几何突变的区域、空调送风口和回风口 的位置加密网格并采用四面体非结构化网格以 保证贴体性,最终生成约220万四面体网格,如 图2所示。 ·9· r卜},知;强。》泸豁敷。蚪。辫黔卜区 万方数据 ·空调车室内瞬态温度场的数值模拟· 图2车室网格模型 2.3数值模拟 进风口采用压力入口边界条件,压力值由风 道系统的计算得到。出风口采用压力出口边界条 件,压力值由整车空气动力学分析得到。其余表 面采用固壁边界条件。热边界条件按前述方法处 理,设为第二类边界条件或设为第三类边界条 件。 车室内复杂的湍流流动采用目前应用广泛 的湍流模型,固壁区取非平衡壁面函数。压 力速度耦合采用SIMPLE格式,动量、湍流动能 和湍流耗散率的离散均取QUICK格式。 车外温度设为35℃,车内初始温度设为45℃。 送风温度16℃。车内温度设计目标值面部27℃, 腿部不超过29℃。 3模拟结果分析 以吹脸送风工况对模拟结果进行分析。 分别从4名乘客的面部前方取4个监测点, 记为P1~P4;在4名乘客的腿部附近取4个监测 点,记为P5~P8,如图3所示。 图3监测点位置 图4和图5是8个监测点的温度变化时间 历程。 ·lO· ,∞ I¨ 31- l'3 k 1’a 毛 C3婀 剖 ■,鹏 3舶 3∞ Z¨ 。 墨 Hn ’%同嚣’H’佴斟堪瑚 图4 面部各监测点的温度变化时间历程 。 踮 ∞ n 1。口时矗露 ’∞仃‘2呻 2箱蛳 图5 腿部各监测点的温度变化时间历程 表1面部监测点到达设计 温度时间及稳态温度 监测点 到达27。C所需 最终稳态温度Ⅸ 时l司/s Pl 164 298 P2 .158 297 P3 195 299.6 P4 194 299.6 表2腿部监测点稳态温度 监测点 最终稳态温度/l( P5 299.6 P6 300 P7 30l P8 301.5 从表l和表2可以看出,面部温度比腿部温 度普遍低约2。C,符合“头凉脚暖”的设计要求。面 部4点均能在较短时间内到达27。C的设计要求, 其中最长时间为P3,195s。前排乘客面部最终稳 态温度在24。C-25。C,后排乘客面部最终稳态温度 略低于27。C,符合设计要求。从腿部温度看,最终 稳态温度最高为P8,301.5K,没有超过腿部最高 设计温度29。C的要求。从计算结果看,后排乘客相 应位置的稳态温度比前排乘客要高l℃~2℃, (下转第42页) 万方数据 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 ·FLUENT在汽车空气动力学研究中的应用· 应用方向只是FLUENT在汽车空气动力学研究 中的冰山一角,诸如气动噪声、车轮轮辐开孔对 汽车外流场影响等方面的研究均是FLUENT所 能完成的。 尽管我国在汽车空气动力学实验和理论研 究方面起步较晚,但汽车空气动力学的计算机仿 真为我们在该领域尽快赶上发达国家的研究水 平提供了新的契机。因此,为提高我国汽车自主 开发的能力,开展汽车空气动力学的计算机仿真 理论和方法的研究具有极为重要的现实意义和 重大的战略价值。 参考文献 [1]谷正气.汽车空气动力学[M].人民交通出版社,2005. [2]王森,等.FLUENT在汽车外形设计中的应用[J].机械 设计与制造,2005。(4):71~73. [3]莫乃榕.工程流体力学[M].武汉:华中科技大学出版 社,2000. [4J韩占忠,等.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用 [M].北京:北京理工大学出版社,2004. [5]尚明,等.CFD在轿车空调风道优化设计中的应用 [J].汽车科技,2005,(3). [6]傅立敏,等.汽车超车过程的空气动力特性研究[J].空 气动力学报,2007,25(3). [7]许涛,过学迅.FLUENT在汽车工业中的应用[J].北 京汽车,2006,(5). [8]姜乐华。谷正气.CFD在汽车空气动力学研究中的应 用[J],湖南大学学报(自然科学版),1997。24(4). [9]李勇,等.介绍计算流体力学通用软件-FLUENT[J]. 水动力学研究与进展,2001,16(2). [10]张杨军,等.汽车空气动力学数值仿真研究进展[J]. 汽车工程,2001,23(2). 收稿日期:2007·12·18 望望望ZXIXXXXXXIX!!l!篁篁!¥Ⅺ螋篁Z!篁望望望望望望望XXXXlIIIIIXIIIX望篁篁!!l篁l!!!!l女! (上接第10页) 说明前排乘客的舒适性要好于后排乘客。 图6是车室某纵剖面的稳态温度分布,进一 步论证了上面的论述。 图6 车室某纵剖面的稳态温度分布 4结束语 空调车室内瞬态流场和温度场的数值模拟 是一复杂热边界条件流动与传热数值计算问题。 采用FLUENT软件来进行分析,考核空调系统 能否达到预定的设计要求并计算特定位置到达 设计温度的时间,能够合理地得到车室内气流的 .42. 组织情况、温度分布和进行舒适性评价。为空调 系统的设计及改进提供有利的参考。 参考文献 [1]HamJ,Fujitanik eta1.ComputerSimulationof PassengerCompartmentAir-flow[C].SAEpaper881749,1988. [2]TohruKomoriya.AnalysisofVehiclePassenger ComparmnentVentilationUsingExperimentalandNumerical Model[C].SAEpaper890312.1989. [3]HallT.Three-dimensionalNavier-stokesSimulationfor PassengerCompartmentCooling[J].Int.J.ofVehicleDesign,1989; lO(2). [4]陈孟湘.汽车空调[M].上海:上海交通大学出版社, 1997. [5]陈江平,孙召璞,阔雄才,等.载人车室内部空气流场 温度场的数值模拟[J].汽车工程,1999,21(5). [6]小林明,等.汽车工程设计手册[M].北京:机械工业 出版社.1981. 收稿日期:2007·10·17 万方数据 空调车室内瞬态温度场的数值模拟 作者: 丁能根, 洪四华, 葛尧, 刘峰 作者单位: 丁能根,洪四华,刘峰(北京航空航天大学汽车工程系,北京,100083), 葛尧(北京恩吉威机电 科技发展有限公司,北京,100000) 刊名: 北京汽车 英文刊名: BEIJING AUTOMOTIVE ENGINEERING 年,卷(期): 2008,""(2) 被引用次数: 1次 参考文献(6条) 1.Hara J.Fujitani K Computer Simulation of Passenger Compartment Air-flow[SAE paper 881749] 1988 2.Tohru Komoriya Analysis of Vehicle Passenger Compartrment Ventilation Using Experimental and Numerical Model[SAE paper 890312] 1989 3.Han T Three-dimensional Navier-stokes Simulation for Passenger Compartment Cooling 1989(02) 4.陈孟湘 汽车空调 1997 5.陈江平.孙召璞.阔雄才 载人车室内部空气流场温度场的数值模拟 1999(05) 6.小林明 汽车工程设计手册 1981 相似文献(2条) 1.学位论文 谢青松 公交空调客车室内气流组织改进设计与数值模拟 2004 该文以公交空调客车为研究对象,针对目前公交空调客车空调风道及气流组织设计存在的问题,采用理论分析与数值模拟相结合的研究方法,分析了公 交空调客车空调风道及气流组织的特性,提出了相应的改进措施.在理论计算方面,对公交空调客车室内夏季冷负荷及送风量进行了设计计算,参照舒适性 空调室内计算参数,根据自由射流理论得到了送风口的送风参数.在数值模拟方面,利用CATIA软件建立了改进前后空调车室内CFD仿真模型;基于稳念不可 压雷诺平均N-S方程及标准的k-ε双方程湍流模型,采用有限体积法对控制方程进行离散,借助计算流体力学分析软件(FLUENT)对空调车室内气流场进行了 仿真分析,获得了车室内气流流动规律.理论计算与数值模拟结果表明,改进后车室内气流组织更加合理,克服了气流短路现象,降低了能量损失,有效地改 善了乘客的舒适性. 2.学位论文 杨娟 空调轿车车室内气流组织的数值模拟 2006 本文以空调轿车车室内的空气为研究对象,详细分析了车室内的空气流动与传。热,以计算流体动力学(CFD)为基础,采用RNGk-ε双方程模型和壁 面函数法,对空调轿车进行了合理的简化,考虑到太阳辐射,人体热边界等,建立了空调轿车车室内的三维紊流模型,得到了空调车室内温度场、速度 场的控制方程。就不同的送风速度、送风温度、送风角度以及送风口位置等,对车室内气流组织进行了定性、定量的比较分析。以FLUENT作为数值模拟 平台,得到了速度场以及温度场的数值解,并对四种典型情况下的速度场和温度场进行了分析。用TECPLOT软件将计算结果可视化,得到各特征断面温度 场和流场的分布图。求得工作区域的速度不均匀系数、温度不均匀系数以及空气分布特性指标,为车室内气流组织分布的优化设计提供依据。 结果认为:送风速度增大时,车室内的温度普遍下降,流速增加:送风温度升高时,车室内流速的线型基本不变,温度普遍升高;送风倾角的变化 对车室内空气的流动形式有较大的影响;送风口的位置改变对车室后部的温度场影响不大。送风速度过高或过低,各计算截面的ADPI指标都会偏低,送 风速度增大时,各计算截面的速度、温度不均匀系数有所降低,但是幅度不大,所以没必要大幅度增加送风速度来追求较低的不均匀系数。送风温度的 改变对于这Ⅲ平面和Ⅳ平两个平面的温度不均匀系数基本上没有什么影响。不同的送风角度对于Ⅳ平面的温度不均匀系数也影响不大。当车室内冷负荷 减小时降低送风速度,或者稍微升高送风温度,不仅可以获得与全负荷下相类似的空调效果,还能有助于节省能源。 引证文献(1条) 1.柳春婷.赵兰萍 汽车空调车室环境研究现状及前景[期刊论文]-制冷空调与电力机械 2009(6) 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_bjqc200802003.aspx 授权使用:陈燕霞(wfcngxu),授权号:468fdc8d-678e-4fb3-85ec-9db3010105e2 下载时间:2010年7月14日
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