03.乘员舱热舒适分析技术

乘员舱热舒适性分析技术
～STAR-CCM+的MRT、湿度、PMV的预测～
CDAJ-China
技术部
唐连伟相羽俊輝(CDAJ)
CAE －成本节约和技术革新的关键技术
概述
对于住宅、办公室、学校和大厅等建筑物内的舒适性分析
的已经很常见了，近来对于乘员舱内热舒适性的需求越来越多。

乘员舱内空间一般相对建筑物内空间狭小，人员更容易受到来自窗外光照的影响，同时空调口吹风的分布对乘员舱内的环境
的影响也很大，因此舱内热舒适性的评价是设计人员必须考虑的因素，也是提升设计附加值的方法。

在此我们介绍如何使用STAR-CCM+进行乘员舱热舒适性分析评价。

目录
1.热舒适性计算模型介绍
2.舒适性评价使用的指标
3.各指标在STAR-CCM+中的设定
4.范例的展示
5.参考文献
6.致谢
•计算模型概要
–对成员舱内的驾驶员、副驾驶员进行PMV/PPD的舒适性预测。

•基础解析内容
–稳态
–湍流（Realizable k-ε）
–多组分气体（空气，水蒸气）
–密度：满足理想气体状态方程
–重力
–辐射（S2S，灰体，日照）
–Passive Scalar
•网格类型
–
Trim Mesh
1.舒适性计算模型介绍
•
1.舒适性计算模型介绍
•
边界条件
流量分配出口
H2O[0.0097803]→相对湿度50[%]流出比 1.0
1.舒适性计算模型介绍
•
边界条件
车体
无滑移
25.0 [℃]
反射比/发射率/透射比=0.2/0.8/0.0
玻璃（前/后/侧）
无滑移
25.0 [℃]
反射比/发射率/透射比=0.1/0.4/0.5
成员（驾驶员，副驾驶）
无滑移
绝热
反射比/发射率/透射比=0.8/0.2/0.0
1.舒适性计算模型介绍
•日照设
定
1.舒适性计
算模型介绍
•网格数：888,336
•边界层
：5.0mm(2层）•全局尺寸
：100mm •最小尺寸
：
10mm
1.舒适性计算模型介绍
2.舒适性评价使用的指标
通常的舒适性评价对应以下这些评价指标：
-预期平均通感[Predicted Mean Vote (PMV)]
-不适人员比例[Percentage of dissatisfied persons (PDD)] -平均辐射温度[Mean Radiant Temperature (MRT)]
-相对湿度[Relative Humidity (RH)]
-平均空气龄[Mean Age of Air (MAA)]
2.舒适性评价使用的指标
-预期平均通感：Predicted Mean Vote (PMV)
-PMV是由丹麦工科大学的Fanger教授在1967年发表的热舒适方程式所提出的温冷感指标。

其中涉及室温、平均辐射温度、相对湿度、平均风速、着衣量和人体作业量六个变量。

使用从-3(冷感)～0(中间感受)～+3（热感）共七个阶段的舒适性评价。

-ISO标准中，PMV在±0.5以内状态为推荐热舒适状态。

-预期平均通感：Predicted Mean Vote (PMV)
-定义式：
-各变量说明
-M ：体表面的代谢率[W/m2]，其基本单位1Met=58.15[W/m2]。

睡眠时约0.8[Met]，办公室工作时约1.2[Met]。

平均成人体表面机约1.7[m2]，此时办公室工作的场合，代谢量约120[W]。

-W ：人体所做的机械功[W/m2]。

通常取0。

-H ：体表面的对流、辐射的热损失[W/m2]
-Ec ：皮肤上的散热和出汗散热量[W/m2]
-Cres ：呼吸中的显热损失量[W/m2]
-Eres ：呼吸中的潜热损失量[W/m2]
()()[]
res res c M E C E H W M e PMV −−−−−×+=−028.0303.0036.02.舒适性评价使用的指标
()()[]res res c M E C E H W M e PMV −−−−−×+=−028.0303.0036.
0f cl ：裸露面积与着衣面积的
比例。

I cl ：服装的热阻[m2K/W]
t cl ：衣服的表面温度[℃]
tr ：平均辐射温度[℃]
Var ：风速[m/s]
hc ：对流换热系数[W/m2K]
ta ：室温[℃]
-预期平均通感：Predicted Mean Vote (PMV)
-H ：体表面的对流、辐射的热损失
2.舒适性评价使用的指标
()()[]res res c M E C E H W M e PMV −−−−−×+=−028.0303.0036.0p a ：水蒸气分压力[Pa]
-预期平均通感：Predicted Mean Vote (PMV)
-Ec ：皮肤上的散热量
-Cres ：呼吸中的显热损失量
-Eres ：呼吸中的潜热损失
量
2.舒适性评价使用的指标
-不适人员比例：Percentage of dissatisfied persons (PDD)-PPD 指得是，对在一特定环境感到不适人员的比例。

-定义式-ISO 标准中，PDD 小于10%的状态为推荐热舒适状态。

()242179.003353.095100PMV PMV e PDD +−−=2.舒适性评价使用的指标
-平均辐射温度：Mean Radiant Temperature (MRT)
-平均辐射温度指的是，人体实际周围全方向受到的辐射热等价至一个均一温度的假象空间的所具有的表面温度，近似等于周边壁面的平均表面温度。

-定
义式
2.舒适性评价使用的指标
-相对湿度：Relative Humidity (RH)
-相对湿度指得是，水蒸气分压力同当前温度下饱和水蒸气压力之比。

-定义式
-水的饱和蒸汽压计算公式使用JIS 采用的SONNTANG 公式-水蒸气的分压力即，(压力)×(水蒸气的摩尔分数)
sat
O H P P RH 2=()()()()]ln 433502.25673952.12711193.22409642.219385.6096exp[21T T e T
e T P sat +−+−−++−=−PH2O ：水蒸气分压力[Pa]Psat ：饱和水蒸气压[Pa]T ：水蒸气温度[K]
v
O H X P P ⋅=2P ：圧力[Pa]Xv ：水蒸气的摩尔分数
2.舒适性评价使用的指标
2.舒适性评价使用的指标
-平均空气龄：Mean Age of Air（MAA）
-空气龄指得是空气由进气口到达室内某一位置的移动时间。

这种瞬态一样扩散假定的平均到达时间，即被称作平均空气龄。

3.各指标在STAR-CCM+中的设定
-预期平均通感：Predicted Mean Vote (PMV)
-不适人员比例：Percentage of dissatisfied persons (PDD)
-对PMV，PDD的计算，可以在得到计算结果后通过在STAR-CCM+中运行Java宏文件来处理而获得。

-平均辐射温度：Mean Radiant Temperature (MRT)
1.Continua ＞Physics1＞Select Models …依次选择，“Radiation ”◊“Surface-to-surface Ratiation ”◊“Gray Thermal Radiation ”◊“Solar Loads ”
2.选择“Surface-to-surface Ratiation ”（S2S)的场合，“Boundary Mean Radiant Temprature ”就可以作为标准计算变量被选择了。

①依次选择辐射，表面-表面辐射，灰体辐射，日照负荷②选择Boundary Mean Radiant Temperature 3.各指标在STAR-CCM+中的设定
-相对湿度：Relative Humidity (RH)
1.Continua ＞Physics1＞Select Models …依次选择：“Multi-Component Gas ”◊“Non-reacting ”
2.Continua ＞Physics1＞Models 1＞Multi-Component Gas ＞Gas Mixture ＞右键点击Gas Components ＞New Gas Component ＞选择‘Air(Air)’，重复前面步骤，选择‘H2O(Water)’。

①选择多组分气体、无反应
②气体成分选择Air ，H2O
3.各指标在STAR-CCM+中的设定
-相对湿度：Relative Humidity (RH)
3.Tool＞Field Function＞New制作新的“场函数”用来监
控“水蒸气分压力”
4.右键点击User Field Function 1＞Rename…更名为
“P_H2O”
5.在Properties栏中，设定“Function Name”、“
和“Definition”
“Function Name”：PH2O
“Dimensions”：Pressure=1
“Definition”：$AbsolutePressure*$Species1MoleFraction
※SpeciesX的X对应的数字指的是多组分气体组分定义的编号，这里需要根据H2O的Scalar编号一致。

③新的Field Function作成
④改名为“P_H2O”
⑤定义函数
3.各指标在STAR-CCM+中的设定
-相对湿度：Relative Humidity (RH)
6.Tool＞Field Function＞New创建新的“场函数”--“
和水蒸汽压”。

7.右键点击User Field Function 1＞Rename…更名为
“P_SAT”。

8.在Properties栏中，设定“Function Name”、
“Dimensions”和“Definition”
“Function Name”：PSAT
“Dimensions”：Pressure=1
“Definition”：exp((-6096.9385*pow($Temperature,-1))
+(21.2409642)
-(2.711193e-2*$Temperature)
+(1.673952e-5*pow($Temperature,2))
+2.433502*log($Temperature))
※饱和水蒸汽压力[Pa]=SONNTANG公式（以温度为变量的函数）改名为“P_SAT”
⑧定义函数
3.各指标在STAR-CCM+中的设定
⑥新的Field Function作成
-相对湿度：Relative Humidity (RH)
9.Tool＞Field Function＞New创建新的“场函数”--“
湿度”
10.右键点击User Field Function 1＞Rename…更名为
“RH(%)”
11.在Properties栏中，设定“Function Name”、
“Dimensions”和“Definition”
“Function Name”：RH
“Dimensions”：无维数
“Definition”：100*$PH2O/$PSAT ⑨新的Field Function作成改名为“RH(%)”
⑪定义函数
3.各指标在STAR-CCM+中的设定
3.各指标在STAR-CCM+中的设定
-平均空气龄：Mean Age of Air（MAA）
1.Continua＞Physics1＞Select Models…选择
“Passive Scalar”①选择Passive Scalar
②钩选Passive Scalar Source Scalar Function选择Density
③选择Field Function
-平均空气龄：Mean Age of Air 5.Tool＞Field Function＞New创建新的“
“平均空气龄”
6.右键点击User Field Function 1＞
“Mean Age of Air”
7.在Properties栏中，设定“Function Name”
“Dimensions”和“Definition”
“Function Name”：MAA “Dimensions”：Time=1“Definition”：$PassiveScalar 属性栏的设定
3.各指标在STAR-CCM+中的设定
⑥改名
•结果（速度矢量图
）4.范例的展示
•结果（标量图）ー表面温度4.范例的
展示
•结果（切面云图）ー
相对湿度4.范例的展示
4.范例的展示
•结果（切面云图）ー平均空气龄
•结果ーPMV/PDD 值
＞
4.范例的展示
5. 参考文献
•Thermal Comfort
http://dt.fme.vutbr.cz/enviro/Pohoda/thermal.htm#10
•図解空調・給排水の大百科（空気調和・衛生工学学会編）
6. 致谢
感谢CDAJ西日本技术部相羽俊輝先生提供解析算例
谢谢！
CAE －成本节约和技术革新的关键技术。