基于Star-CCM+的某车热舒适性仿真研究
随着汽车工业的快速发展，人们的生活水平日益提高，汽车普及率大幅度增长，交通越来越便利，汽车成为人们出行不可缺少的交通工具，人们在车内消耗的时间占比越来越高，其对汽车的舒适性能要求也逐渐提高，汽车乘员舱内的热舒适性备受关注。在车型开发过程中，改善各种工况下乘员舱内的环境温度是提升热舒适性能的关键方式。
本文采用CFD分析方法，对某车内循环吹脚模式下乘员舱热舒适性性能进行研究，分析了乘员舱内温度分布，并进行了舒适性评价，为空调舒适性设计提供仿真依据。
1模型简介
采用有限元分析软件对某车型三维数据进行前处理，提取空调系统前置暖风总成及风道、底置暖风总成及风道、车身等内表面几何结构，提取假人模型及座椅等外表面几何结构，进行几何处理和面网格的划分。根据三维模型的结构，采用STAR-CCM+软件中多面体单元进行网格划分。
图1 空调前置暖风总成模型
2 边界条件
本次乘员舱热舒适性分析是模拟实车情况，即在外界自然条件下开启内循环吹脚模式达到稳定后乘员舱内的温度及速度等物理量分布，评估乘员是否舒适。因此，必须采用太阳辐射分析，流动介质采用理想气体，并考虑重力影响。
设置空调前置暖风及底置暖风总成风机转速，风道duct设置为壁面绝热条件，忽略座椅的换热量，将座椅seat也设置为壁面绝热条件，车身壁面wall和车窗玻璃glass设置为对流换热条件。
计算某车型内循环吹脚模式下乘员舱内速度场及温度场，冷却液为50%的乙二醇水溶液，采用60℃时属性。
内循环吹脚模式为前暖、底暖全开状态，车外环境温度为-10℃，分别设置前暖、底暖风机转速，风机风量约为293m3/h。底暖冷却水流量为12.3 L/min，前暖冷却水流量为11 L/min。车身壁面及车窗玻璃初始温度为-10℃，换热参数为44.5 W/m^2-K。
3 计算结果
3.1 流量分配
温度是人体舒适性的主要因素，为了使得乘员室内的温度均匀分布，必须使得底置风管的出风口风量分配合理。
图2 底暖速度云图
图3 空调前暖速度云图
图2为底暖速度分布云图，底置暖风风道出风口有2个，前部出风口为主出风口，风量大于后部出风口。图3为空调前暖速度分布云图，前暖风道出风口有7个，左右两边各分布3个，中间1个，中间出风口为主出风口，占比25.7%，其他6个出风口按照均分原理，每个出风口的风量比例为12.4%±1%，两侧风管出风口风量均匀性很好，风量分配比例在12.4%±1%范围内，满足要求。
3.2 速度分布
图4为乘员舱内速度流线图，可以看出，车厢内流速整体分布表现为左侧（驾驶员侧）流速低，右侧流速高的趋势。底暖主出风口气体喷出后直接冲击左侧车身，并向上部流动，空调前暖右侧出风口在第一排无座椅遮挡，也直接冲击到第二排和第三排右侧座椅，导致第二排和第三排座椅右侧流速为整个车厢内最高。
图4 乘员舱内速度流线图
人体模型表面速度中驾驶员以及乘员各监测点位置风速基本达到要求，流场无需优化。乘员舱内速度分布相对均匀，平均速度为0.595m/s，平均速度达到要求，中间及后排乘员躯干速度较低，但基本不影响人体舒适性。
3.3 温度分布
人体表面温度中人体表面绝大部分的温度在15℃-25℃这个范围，人体头部附近的温度都不超过25摄氏度，驾驶员脚部形成局部涡流，局部高温，远离出风口的其他车厢部位温度分布较为均匀，中间排座椅人员及最后排左侧乘员躯干部温度稍高。车厢内所有乘员各点温度均达到了15 ℃ 以上，满足冬季采暖需求。
3.4 热舒适性评价
从表上数据来看，参考点的温度在15℃-25℃范围内，满足《采暖通风与空气调节设计规范》的舒适性参数要求。驾驶员和乘员部位均感觉温度适中，处于舒适体感范围，其中，-0.5＜PMV＜+0.5、PPD＜10%为目标值，图中显示，PPD值、PMV值均处于较为舒适范围。图5为PPD计算结果，图6为PMV计算结果。
图5 PPD结果图
图6 PMV结果图
4 结论
本文采用CFD分析方法，研究车内循环吹脚模式下乘员舱热舒适性性能，车厢内流速整体分布表现为左侧流速低，右侧流速高的趋势。空调前置暖风及底置暖风的出风口风量分配比较均匀合理，从人体表面速度分布来看，乘员舱内速度分布相对均匀，平均速度为0.595m/s，平均速度达到要求，中间及后排乘员躯干速度较低，但基本不影响人体舒适性。车厢内所有乘员各点温度均达到了15 ℃ 以上，乘员舱内平均温度为15.85℃，且舱内极限温差在8 ℃ 以内，PMV和PPD数值均符合目标值要求，说明温度比较适宜，满足冬季采暖需求。
