汽车空调车室内气流和温度场的数值模拟

文章编号：1671-6612（2008）06-041-04汽车空调车室内气流和温度场的数值模拟向立平1王汉青2李孔清1邹声华1（1.湖南科技大学 湘潭 411201；2.湖南工业大学 株洲 412008）【摘 要】 运用稳态不可压缩雷诺平均N-S 方程，k-ε湍流模型，采用有限容积和交错网格将计算区域进行离散，对汽车车厢内三维空气流场和温度场进行了数值计算，考虑了太阳辐射和人体散热对速度场和温度场的影响。

结果表明人体散热对气流的流场和温度场有较大的影响，太阳辐射对流场影响较小，但对温度场有较大的影响。

研究结果为客车内气流组织的优化设计和舒适性提供了数据支持。

【关键词】 汽车空调；湍流模型；流场；温度场；太阳辐射 中图分类号 TK284 文献标识码 ANumerical Simulation of Airflow and Temperature Fields in Air-Conditionging Passenger CarLiping Xiang 1，Dengchun Zhang 2，Kongqing Li 1，Shenghua Zou 1( 1.Hunan University of Science and Technology, Xiangtan, 411201；2. Hunan University of Technology, Zhuzhou, 412008) 【Abstract 】 Based on the steady state incompressible Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, k-ε turbulence model, the finite volume method with interlacing of discretization, the three-dimension airflow and temperature fields inside a passenger car are calculated numerically. The solar radiation and body heat are additional source term of energy equation, the influence of passenger and solar radiation on airflow and temperature fields is investigated. The results show that existing supply modes make the superior flow distribution homogeneous, body heat has much influence on airflow and temperature fields and solar radiation has little influence on airflow field, but much influence on temperature field. The results provide supports for optimizing in passenger car airflow and improving comfort of the passenger car.【Keywords 】 passenger car ；turbulence m odel ；airflow field ；Numerical simulation ；Solar radiation作者简介：向立平（1977-），男，讲师，从事制冷技术教学与研究。

收稿日期：2008-06-160 前言空调车室内空气的速度场、温度场研究是空调车室内气流组织设计及空调车室内舒适环境评价与研究的基础。

但由于车厢内部环境受太阳辐射和乘客散热的影响，且车内结构复杂、运行环境温差大、人员变化大、速度场和温度场相互影响、强迫对流和自然对流共存以及气固耦合等因素的存在，用实验方法研究车厢内部的气流组织具有相当大的难度。

以往通过求解射流的经验公式来确定车厢内各个断面的温度分布和速度分布，然后通过改变送风口的位置和尺寸以满足设计要求已越来越不被人们接受，而采用数值方法对空调车厢内气流组织进行研究，近几年在国内外获得了广泛的应用[1-5]。

作者采用k-ε湍流模型，应用SIMPLE 算法[6]，计算了太阳辐射和人体散热条件下在人客车室内的三维流场。

1 物理模型及数学模型1.1 物理模型以45个座位的豪华空调客车为研究对象，考虑到客车车厢内结构相对较为复杂，在数值计算中难于根据实际的结构生成计算网格，由于车厢内部的第22卷第6期 2008年12月 制冷与空调Refrigeration and Air Conditioning V ol.22 No.6 Dec. 2008.41～44制冷与空调 2008年·42·布置左右对称，除前端驾驶员位置使边界条件相异外，基本上可认为车室内的几何结构是左右对称的。

车厢左右两侧各设12排座椅，风道位于车顶左右两侧，且每个风道各开12个正对座椅向下送风的送风口，回风口位于车顶中央。

其计算模型如图1所示。

图1 汽车车厢网格物理模型1.2 数学模型采用k-ε三维湍流模型方程。

为了简化问题，作如下假设：（1）空调车室内空气为不可压缩且符合Boussinesq 假设，即认为流体密度变化仅对浮升力产生影响；（2）流动为稳态湍流；（3）忽略固体壁面间的热辐射，车室内空气为辐射透明介质；（4）假设流场具有高湍流Re 数，流体的湍流粘性具有各向同性；（5）气流为低速不可压缩流动，可忽略由流体的粘性力作功所引起的耗散热；（6）不考虑漏风的影响，认为空调车室内气密性良好。

根据以上假设，空调车室内空气流动与传热数学模型以张量形式描述如下[7]：（1）连续性方程0=∂∂iix u ，3,2,1=i （1） （2）运动方程])())([()32()(0g T T x u x u x k p x u u x ij j i t i i j i i ρβµµρρ−+∂∂+∂∂+∂∂++∂∂−=∂∂ （2）（3）能量方程pi T t r i i i C q x T P x T u x +∂∂+∂∂=∂∂])[()(σµµρ （3） （4）湍流脉动动能方程（k 方程）ir t i k t i i i x T P g G x k x k u x ∂∂+−+∂∂∂∂=∂∂µβρεσµρ)()( （4）（5）湍流脉动动能耗散率方程（ε方程）i r t i i i i i x T P k g c c G c x x u x ∂∂+−+∂∂∂∂=∂∂µεβρεεσµερε321)()()( （5）j i i j j i t x ux u x u G ∂∂∂∂+∂∂=)(µ 3,2,1,=j i ，ερµµ2k C t = 式中i u 为速度分量；i x 为坐标；ρ、p 、T 分别为空气密度、压力和温度；β、q 分别为体积膨胀系数和热流密度；µ、t µ为分别为层流粘度和湍流粘度；G 为湍流脉动动能产生项；方程中各经验常数的取值为[6]：44.11=c 、92.12=c 、0.13=c 、09.0=µc 、9.0=T σ、0.1=k σ、3.1=εσ。

2 数值求解方法及边界条件2.1 数值求解方法由于空调客车室内结构复杂，造成计算区域边界形状复杂，给数值计算带来了一定的困难。

为此，采用非结构化网格划分计算模型（见图1），分别以客车长、宽、高作为坐标的X 、Y 、Z 方向，以车前端与车厢底面的交点作为坐标原点。

采用基于交错网格的控制容积法离散控制微分方程，应用SIMPLE 算法求解离散控制方程[6]。

对气、固耦合传热问题，采用整体法求解；对车厢内设的座椅等障碍物，其粘性系数设为无穷大，以保证障碍物出空气流动速度为零；而障碍物壁面温度均按绝热条件进行计算。

2.2 边界条件及热源条件通过车厢玻璃窗的太阳辐射的影响，由于空调车室内太阳透射辐射传递是随机过程，符合概率统计学规律，采用Monte Carlo 法[8]对太阳辐射能在车室内各内表面的分配比例进行分析计算。

该方法应用于辐射传递的计算不仅可以避免复杂的数学运第22卷第6期 向立平，等：汽车空调车室内气流和温度场的数值模拟 ·43·算，而且非常适用于计算非理想、非均匀、结构复杂的空间辐射表面之间的辐射传递。

在进行辐射计算时认为车内空气为辐射的透明介质，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，除玻璃窗外车室其余各表面均视为漫射灰表面。

某一时刻车内各个表面上分配的太阳透射辐射能量，即为每块玻璃源面的单位太阳透射辐射能量在该面上分配的比例与相应的辐射源面总透射辐射量相乘后的叠加值。

这样就可得出太阳透射辐射在空调车室内各表面引起的附加热流变化, 以此作为能量方程的附加源项。

车内乘客的散热量按115W/人计算，将这些热量作为能量方程的附加源项，均匀分布在座椅上方控制容积的网格节点上。

入口边界：U=V=0，W=2 m/s ，T=293K ，k=0.004，ε=0.00008；出口边界：out P P =；k 、ε：自由滑动； 壁面边界：车顶、地板及侧壁面取定热流边界条件，车体综合传热系数K = 1. 16 W/ (m 2·) ℃，车外温度取Tw =308K ；对于车室内气固耦合问题采用整体求解，固体区域粘性系数取为无穷大，气固交界面空气流动取无滑移条件，既0=i u m/s ；座椅等壁面温度按绝热条件进行计算。

3 计算结果分析（1）送、回风口的布置对空调车室内空气流场、温度场影响较大。

由于风道位于车顶左右两侧，且每个送风道各开12个正对座椅向下送风的送风口，回风口位于车顶中央，车室前后部空气流动强度小，温度较高，空调效果较差，而中央空气流动强度较大，空调效果较好。

（2）空调车室内中心平面上空气流动强度较两侧小，在两侧座椅处形成两个比较大的流动漩涡。

（3）空调客车室内上部区域流速较大，下部区域流速较小，温度较高，致使上下区域温差较大，一般为2度左右（如图8），从而影响乘客的热舒适感觉。

（4）人体作为热源体对车室内流场温度场影响较大，非空载时送风气流在人体上方产生两个明显的流场漩涡，可见乘客对车室内流场影响较大。

太阳辐射对车室内温度场影响较大，靠近窗侧，在座椅与车厢壁面相接处出现了温度高的密集区（见图3、5、7、8、9）。