微型电动车车室气流流场和温度场的数值模拟

作者：武汉理工大学 李秀芬 黄妙华

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 随着节能和环保问题的日益严峻，电动汽车成为“21世纪绿色环保汽车”。汽车公司也逐渐开始电动车的研制，车室内舒适性的研究也越来越重要。室内流场和温度场研究的重要性引起世界各大汽车公司的广泛关注，通用、福特、日产及克莱斯勒等积极开展这一领域的研究。车内的舒适性与气流流场和温度场有密切关系，合理的气流组织可使驾驶员或乘员获得合适的温度范围及新鲜的空气，从而降低驾驶员和乘员的旅途疲劳。而车室内物理结构及外界环境直接影响室内的温度场与空气速度场的分布，因此，进行汽车室内空气流场的数值模拟研究，通过数值计算方法研究复杂几何边界形状、复杂热边界条件，以及小空间强迫对流、自然对流、辐射同时存在的复杂流动与传热问题，具有重要意义。 本文采用稳态不可压缩N-S雷诺时均方程，用湍流涡粘度模型处理雷诺应力项，方程的封闭采用高雷诺数K-∈模型，采用贴体坐标，应用整体法计算空调车室内气固耦合传热问题，并考虑了太阳辐射对温度场和强迫对流对空气流场的影响，对微型电动车空调车室内的三维空气流场和温度场的分布进行数值模拟研究。 一、物理模型 微型电动汽车室内物理结构复杂，其几何参数为：车室内长2.8m，车室内宽1.3m，车室内净高1.6m；有两排座椅，其布置如图1所示。座椅成100°夹角，前挡风玻璃与竖直面成45°夹角；送风口布置在前面板上，有三个送风口，回风口有两种布置方式。方案一和方案二的区别只是回风口的布置方式不同，本文只给出方案一的车室布置简图。 方案一：回风口布置在汽车前端； 方案二：回风口布置在汽车后端。 二、数学模型 由于车室周围均受到太阳辐射和外界空气的影响，采用稳态不可压缩N-S雷诺时均方程，用湍流涡粘度模型处理雷诺应力项，方程的封闭采用高雷诺数K-∈模型。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.流动为稳态紊流； 3.忽略固体壁面间的热辐射； 4.车室内空气为辐射透明介质； 5.空调车室密封性能好，没有空气泄漏。 则空调车室内空气的三维流动与传热的微分方程包括：连续方程、动能方程、能量方程和K-∈方程。空调车室内空气的三维流动与传热的微分方程为： 靠近壁面粘性支层内，流动和换热计算采用壁面函数法，靠近壁面不划分网格，把第一个与壁面相邻的节点布置在旺盛湍流区域内。 三、边界条件 (1) 入口边界：在送风口处施加送风速度和送风温度条件：u=uin, T=Tin； (2) 出口边界：回风口施加相对压力为零； (3) 壁面边界：车室外壁面T=Tw，日照表面综合温度Tw。 式中I—太阳辐射强度 a—对流热换系数 车顶及车两侧壁面、车室地板、前后挡风玻璃、仪表板等固定壁面而取无滑移边界条件。其余边界取流线不穿透条件。 （4）热源边界：利用MonteCarlo方法计算车室内壁面由太阳辐射引起的附加源项。MonteCarlo方法应用于辐射传递的计算不仅可以避免复杂的数学运算，而且非常适用于计算非理想、非均匀、结构繁杂的空间辐射表面之间的辐射传递。模拟空调车室内太阳照射辐射传递过程时，认为车室内空气是辐射的透明介质，且不考虑车室内各表面的发射热辐射，各表面的温度恒定且吸收率保持不变，物性均匀，除玻璃窗之外车室内其余各表面均视为漫射灰表面。 （5）在模型内边界，即流体（空气）与非流体（固体区域）交界面，不能施加热流密度和对流边界条件，因为在这交界面的参数是未知的，是正需要求解的。因此气固交界面上流体流动符合无滑移条件即ui=0，固体壁面温度按绝热条件计算。 四、数值计算方法 由于车厢体和座椅等的形状复杂，所以有许多复杂的区域及其边界不可能与现有的各种坐标正好相符，故采用贴体坐标系对车室结构进行离散，三维网格总数为286546。如图2所示。 采用有限单元法和交错网格离散控制微分方程，应用SIMPLEF算法求解离散方程： （1）采用二阶迎风差分格式，将扩散项和对流项的影响系数分离开来，使方程绝对稳定； （2）把相邻节点的影响系数表示成对流分量与扩散分量之和，将对流部分归并入源项。 （3）对速度、压力项的求解采用TDMA法，以使各项迭代收敛。 五、结果分析 本文对微型电动车空调车室内的三维空气流场与温度场进行数值计算，获得的结果比较理想。图3和图5为Z=0.5平面内的速度场分布图，图3为回风口前置方式，图5为回风口后置方式。图4和图6为Z=0.5平面内的温度场分布图，图4为回风口前置方式，图6为回风口后置方式。 回风口的布置方式对室内速度场和温度场的分布产生影响。从图中可以看出，空调车室内上部区域流速较大，下部区域流速较小，温度较高，能满足空调设计的“头凉脚暖”的舒适性设计要求。298K等温区很宽广，符合空调的调节技术要求。方案一的298K等温区在前排乘员处更加宽广，而且方案一的298.4在方案二中上升为298.8K，可见方案一的空调效果更好些。在靠近送风口处射流比较集中，前排人员所在空间空气流速不均匀，且大部分区域流速比较低，而在后排射流发生扩散，带动空气流动，在障碍阻碍下形成涡流。 六、结束语 空调车室内的速度场和温度场研究是空调车室内气流组织设计及车室内舒适环境评价和研究的基础。对空调车室内空气流动传热的数值分析，既可以预测速度场和温度场的分布情况，又可以节省人力、物力和财力。本文对不同的回风口布置方式的微型电动车车室内三维空气流场与温度场进行模拟，结果表明，回风口布置在汽车前端的效果比较好。为电动车空调车室内气流组织的优化设计和车室内舒适环境的评价与研究提供了依据。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/15/2007)