使用ESC数值模拟公交车车厢内温度场和空气流场
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i ［ 2］
， （6） （7） （8） （9）
.
- P1 Uj =
! P1 t ， PSc 1t ! x j !P t ， Sc t ! x j
( )
j
- PU j P' = 式中
( )
I 为湍流运动能量； Pr t 为湍 流 普 朗 特 数；
Sc 1t 和 Sc t 分别为空气中的水蒸气和其它组分的湍流 史密特数. 用标准两方程 I - 9 模型时，湍流粘度用下式 估计： I2 ， （ l0 ） 9 9 为湍流运动能量扩散的速度；C 为常数.
# 同时改变进风口的流量为 5 OOOM / h，温度 为 23C . 重新计算得出，风速最大值为 3. 56 m / S， 最小值为 l. l7 mm / S；车厢内最高温度为 27. 4C ， 最低温度为 23C ；车厢中部温度在 26. 3C 左右. $ 由上面几种情况的计算结果可以看出： 车厢内空气的流动速度主要由进风口的流量决 定，当流量增加时，空气的流动速度也随之明显增 大，流速的最大值达到 3. 72 m / S；当流量不变而 温度升高时，空气流动速度也会发生改变，但变化 不大，流速的最大值为 2. 26 m / S，与图 3 中的最大 值 2. 38m / S 相差不大. （ 下转第 62 页）
图2
车厢的有限元网格模型
图 3 为车厢内的空气流动速度分布图. 从图中
#" 计算结果和结论
l ）车厢内和进出风口的空气流动速度
可以 看 出 风 速 的 最 大 值 为 2. 38 m / S， 最 小 值 为 0. 8l5 mm / S. 在乘客座椅及其周围，空气的流动 速度很小，在 0. 238 ~ 0. 477 m / S 之间.
2004 年第 4 期
车 辆 与 动 力 技 术 VehicIe & Power TechnoIogy
总第 96 期
文章编号：1009 4687 （ 2004 ） 04 0045 04
使用 ESC 数值模拟公交车车厢内 温度场和空气流场
张才三 ，
摘
付
彬
（ 北京理工大学机械与车辆工程学院，北京 100081 ） 要：使用 I - DEAS 中电子系统冷却模块模拟了某型电动公交车内的温度分布和空气流速分布，其中详细的给
・ 62・ 降低了平衡肘撞击限位器的概率，根据估算可以达 到 50% 以上. 由于采用了一种有效的控制策 略， 提高了原旋转叶片式减振器的使用寿命. 但是离大 规模列装还有很长一段路要走. 且这些技术同国外 最先进的智能悬挂技术相比还有较大的差距，仍需 要自力更生、奋发图强.
量通过使用一个 Boussinesg 旋涡粘度假设来评估， 也就是模型： - PU i U j = !U PI + ( !!U )- 2 3 x !x !T - PU h' = ( ， Pr ! x )
i j t j i t j t ij
动量守恒和能量守恒的非线性偏微分方程和描述复 杂的三维几何体中的其它组分的方程. 它是用一种 基于单元的有限容积法和一种耦合的代数多网格法 来离散和解算控制方程的. 物理模型包括层流或湍 流、不可压缩或可压缩流体、自然对流、参考体的 旋转框架、多孔障碍物、相对湿度和流体流动、热 量传递的总体边界条件 1. 1 控制方程 ESC 解算的控制方程是三维流体流动的时均纳 维 - 斯托克斯方程. 这些方程描述了流体质量、动 量和能量的守恒，还描述了可能出现在流体中的数 量不大的水蒸气或某种其它组分的守恒. 控制方程 形式如下： ! 流体质量守恒方程 （ PU j ） !P ! + = 0， （l） t ! ! xj 对不可压缩流动和可压缩流动都有效. 方 方程 （l） 程中 U j 为 x j 方向上的时均速度量. " 一般流动的动量守恒方程 （ PU j ） ! （ PU i U j ） ! !P + =+ !t ! xi ! xj ! Uj - PU i U j + S U j ， （2） ! xi j 方程中的不同项是瞬态项，对流项，压力梯度项， ! ! xi
[ ( !!U x
+
)
]
压力项和源项. U j 为 x j 方向上的脉动速度量. S U j 为动量的源项，对自然对流而言， S U j 包括浮力在 内；对于在参考物的旋转框内流动来说，它包括科 氏力和向心力；对于通过多孔障碍物的流动而言，
［ 3］ S U j 包含附加的流动阻力 .
# 流体的总能量守恒方程 （ PU j h ） ! （ Ph ） ! ! I !T + = - PU j h' + S h ， !t ! xj ! x j cp ! x j
出了 ESC 模块所使用的数学模型，并且对进风口的流量和温度给出不同参数进行模拟对比，从而验证了其空调选 择的合理性. 关键词：温度；流体速度；模拟计算 中图分类号：Tk121 文献标识码：A
Numerical Simulation of Temperature Distribution and Air-flow Field Inside a Bus Compartment by using ESC
!" 划分网格，设定边界条件
l ） 入风口：使用边长为 0. 005 m 的自由 3 节 点网格. 入风口的温度为 l5C ，流量为 3 200 M / h. 2 ） 两侧的回风口：使用边长为 0. 005 m 的自 由 3 节点网格. 回风口的温度和速度根据外界的情 况由系统自动定义，其中外界的温度为 30C ，压
图4
车厢内的温度分布情况
3 ） 进风口参数对车厢内风速、温度的影响 ! 改 变 进 风 口 的 流 量 为 5 OOOM / h，温 度 不 变. 重新计算得出，风速最大值为 3. 72m / S，最小 值为 l. 27mm / S、车厢内最高温度为 24. 7C ，最低 温度为 l5C ；进 风 口 附 近 的 温 度 较 低，在 l5 ~ l7. 4C 之间，车厢中部和底部温度较高，底部温度 在 22. 3 ~ 24. 7C 之间，车厢中部温度在 2lC 左右. " 改变进风口的温度为 23C ，进风流量不变. 重新计算得出，风速最大值为 2. 26m / S，最小值为 O. 77mm / S；车厢内最高温度为 28. 7C ，最低温度 为 23C ；进风口附近的温度较低，在 23 ~ 24. 8C 之间，车 厢 中 部 和 底 部 温 度 较 高， 底 部 温 度 在 27. 5 ~ 28. 7C 之间，车厢中部温度在 27C 左右.
ZHANG Cai-san ， FU Bin
（ SchooI of MechanicaI and VehicuIar Engineering，Beijing Institute of TechnoIogy，Beijing 100081 ，China）
Abstract ：With eIectronic cooIing system of I-DEAS ，a certain eIectric vehicIes 'temperature distribution and veIocity of fIow is numericaI simuIated in this paper. Besides，there are the mathematic modeI and process of numericaI simuIation. After numericaI simuIation and contrasting different vaIue of Vent's FIuX and temperature ，the resuIt proves that the choice of air-condition parameters is reasonabIe. Key words：temperature；veIocity of fIow ；numericaI simuIation 无论是普通公交车还是电动客车，舒适性送风 控制均成为重要的研究课题. 热舒适性（ thermaIcomfort） 这一术语在研究人体对热环境的主观热反 应时已被广泛使用. 影响热舒适的主要因素有：温 度、相对湿度、平均辐射温度、风速、衣服热阻和 劳动强度. 空调客车车厢内热舒适性与空气温度 场、速度场密切相关. 研究空调车室内空气速度分 布、温度分布、送风参数与送风位置对空气流场与 人体舒适性的影响，从而获得最佳动态送风控制规 律，不仅可以实现汽车空调系统的舒适性控制，而
［ 1］ 且也为开发节能型汽车空调奠定基础 .
作者使用 I - DEAS 中的 ESC （ 电子冷却系统） 模块，对北京理工大学所研制的某型电动公交大客 车的车厢内部温度场和空气流场进行了模拟计算. 模型采用 ! - ! 三维紊流模型，应用有限单元法计 算了空调汽车车室内气固耦合传热问题，对空调车 室内气流组织，主要是对速度场和温度场进行了数 值模拟.
(
)
2
建立几何和物理模型
车厢内部的结构比较复杂，包括座椅、车门、
（3） 方程中 h 和 h' 分别为时均静态焓和脉动静态焓； T 为温度； - PU j h' 为雷诺流量； S h 为能量的源项； I 为导热系数；c p 为常压下的比热. 1. 2 湍流模型 在 ESC 中，流动可以作为层流或湍流来解算. 车窗、车厢护围和扶手等设施. 对于温度场的研究 不必将所有的设施全部建立出来，扶手对于车厢内 空气流动和温度的分布影响均不大，所以在建模型 的时候可以省略. 由于车厢内的座椅较多，所占的 体积较大，对空气的流动和温度场有显著的影响，
收稿日期：2004 05 19 作者简介：张才三 （ 1950 ） ，男，副教授.
・ 46 ・
车辆与动力技术
Βιβλιοθήκη Baidu2004 年
本研究主要使用湍流模型 （ 固定粘度模型，混合长
1
数学模型
在 ESC 中，流体解算器可以计算质量 守 恒、
度模型和标准 I - 9 两方程模型） 来模拟雷诺 （ 或湍
［ 4］ . 用这 3 种模型，雷诺压力和流 流） 压力和流量
・ 48・
车辆与动力技术
2OO4 年
图3
车厢内的空气流动速度
2 ）车厢内的温度分布情况 图 4 车厢内的温度分布图. 车厢内的最高温度 是 25C ，最低温度是 l5C . 在进风口的附近温度
较低，为 l5 ~ l8C 之间，车厢中部和底部温度较 高，底部温度在 23 ~ 25C 之间，车厢中部温度在 22C 左右.
mm X 450 mm X 900 mm，其中坐椅共有 29 个，前 后共有 ll 排. 入风口是位于车厢顶部的矩形 340 mm X l 600 mm. 回风口位于车厢的两侧上部，共简化为 8 个， 每个 40 mm X l0 mm. 图 l 为简化后的车厢模型.
图l
简化后的车厢模型
力为一个标准大气压.
第4 期
张才三等：使用 ESC 数值模拟公交车车厢内温度场和空气流场
・ 47・
因此必须保留，在建模的时候可以将座椅的外形简 化为矩形. 经过实际的测量，电动公交客车的车厢的长 X 宽 X 高为 l2 650 mm X 2 300 mm X 2 300 mm. 车厢 中台阶高度为 250 mm，简化为矩形的坐椅为 400
3 ） 热源：即车厢的底部由电池仓散热而产生 的受热部分，采用自由 3 节点网格，边长为 0. 003 m，由于是对流换热，故需要定义其表面粗糙度为 0. 0005 m，每一单位面积所发出的功率为 200 W， 共有 l0 个单位面积分布在车厢的底部. 4 ） 车内的空间：采用 4 节点立体网格，由于 空间较大，故网格的边长为 0. 0l m. 网格划分如 图 2 所示.
t
= C
式中 1. 3
解算方法 对于数值求解方法可应用有限差分法离散控制
微分方 程，应 用 SIMPLEST 算 法 求 解 离 散 控 制 方 程. 1. 4 车厢内的空气流动状态 车厢内空调送风速度比较低，且空调车厢空间 小，需同时考虑强迫对流和自然对流的影响. 空调 器的送风口射流送风对车室内的空气形成卷吸作 用，对车室内的空气形成强烈的扰动，车室内的空 气由于温度分布的不均匀而在浮升力的作用下会形 成局部的流动. 因此，车室内的空气流动状况是非 常复杂的，是典型的紊流流动.
， （6） （7） （8） （9）
.
- P1 Uj =
! P1 t ， PSc 1t ! x j !P t ， Sc t ! x j
( )
j
- PU j P' = 式中
( )
I 为湍流运动能量； Pr t 为湍 流 普 朗 特 数；
Sc 1t 和 Sc t 分别为空气中的水蒸气和其它组分的湍流 史密特数. 用标准两方程 I - 9 模型时，湍流粘度用下式 估计： I2 ， （ l0 ） 9 9 为湍流运动能量扩散的速度；C 为常数.
# 同时改变进风口的流量为 5 OOOM / h，温度 为 23C . 重新计算得出，风速最大值为 3. 56 m / S， 最小值为 l. l7 mm / S；车厢内最高温度为 27. 4C ， 最低温度为 23C ；车厢中部温度在 26. 3C 左右. $ 由上面几种情况的计算结果可以看出： 车厢内空气的流动速度主要由进风口的流量决 定，当流量增加时，空气的流动速度也随之明显增 大，流速的最大值达到 3. 72 m / S；当流量不变而 温度升高时，空气流动速度也会发生改变，但变化 不大，流速的最大值为 2. 26 m / S，与图 3 中的最大 值 2. 38m / S 相差不大. （ 下转第 62 页）
图2
车厢的有限元网格模型
图 3 为车厢内的空气流动速度分布图. 从图中
#" 计算结果和结论
l ）车厢内和进出风口的空气流动速度
可以 看 出 风 速 的 最 大 值 为 2. 38 m / S， 最 小 值 为 0. 8l5 mm / S. 在乘客座椅及其周围，空气的流动 速度很小，在 0. 238 ~ 0. 477 m / S 之间.
2004 年第 4 期
车 辆 与 动 力 技 术 VehicIe & Power TechnoIogy
总第 96 期
文章编号：1009 4687 （ 2004 ） 04 0045 04
使用 ESC 数值模拟公交车车厢内 温度场和空气流场
张才三 ，
摘
付
彬
（ 北京理工大学机械与车辆工程学院，北京 100081 ） 要：使用 I - DEAS 中电子系统冷却模块模拟了某型电动公交车内的温度分布和空气流速分布，其中详细的给
・ 62・ 降低了平衡肘撞击限位器的概率，根据估算可以达 到 50% 以上. 由于采用了一种有效的控制策 略， 提高了原旋转叶片式减振器的使用寿命. 但是离大 规模列装还有很长一段路要走. 且这些技术同国外 最先进的智能悬挂技术相比还有较大的差距，仍需 要自力更生、奋发图强.
量通过使用一个 Boussinesg 旋涡粘度假设来评估， 也就是模型： - PU i U j = !U PI + ( !!U )- 2 3 x !x !T - PU h' = ( ， Pr ! x )
i j t j i t j t ij
动量守恒和能量守恒的非线性偏微分方程和描述复 杂的三维几何体中的其它组分的方程. 它是用一种 基于单元的有限容积法和一种耦合的代数多网格法 来离散和解算控制方程的. 物理模型包括层流或湍 流、不可压缩或可压缩流体、自然对流、参考体的 旋转框架、多孔障碍物、相对湿度和流体流动、热 量传递的总体边界条件 1. 1 控制方程 ESC 解算的控制方程是三维流体流动的时均纳 维 - 斯托克斯方程. 这些方程描述了流体质量、动 量和能量的守恒，还描述了可能出现在流体中的数 量不大的水蒸气或某种其它组分的守恒. 控制方程 形式如下： ! 流体质量守恒方程 （ PU j ） !P ! + = 0， （l） t ! ! xj 对不可压缩流动和可压缩流动都有效. 方 方程 （l） 程中 U j 为 x j 方向上的时均速度量. " 一般流动的动量守恒方程 （ PU j ） ! （ PU i U j ） ! !P + =+ !t ! xi ! xj ! Uj - PU i U j + S U j ， （2） ! xi j 方程中的不同项是瞬态项，对流项，压力梯度项， ! ! xi
[ ( !!U x
+
)
]
压力项和源项. U j 为 x j 方向上的脉动速度量. S U j 为动量的源项，对自然对流而言， S U j 包括浮力在 内；对于在参考物的旋转框内流动来说，它包括科 氏力和向心力；对于通过多孔障碍物的流动而言，
［ 3］ S U j 包含附加的流动阻力 .
# 流体的总能量守恒方程 （ PU j h ） ! （ Ph ） ! ! I !T + = - PU j h' + S h ， !t ! xj ! x j cp ! x j
出了 ESC 模块所使用的数学模型，并且对进风口的流量和温度给出不同参数进行模拟对比，从而验证了其空调选 择的合理性. 关键词：温度；流体速度；模拟计算 中图分类号：Tk121 文献标识码：A
Numerical Simulation of Temperature Distribution and Air-flow Field Inside a Bus Compartment by using ESC
!" 划分网格，设定边界条件
l ） 入风口：使用边长为 0. 005 m 的自由 3 节 点网格. 入风口的温度为 l5C ，流量为 3 200 M / h. 2 ） 两侧的回风口：使用边长为 0. 005 m 的自 由 3 节点网格. 回风口的温度和速度根据外界的情 况由系统自动定义，其中外界的温度为 30C ，压
图4
车厢内的温度分布情况
3 ） 进风口参数对车厢内风速、温度的影响 ! 改 变 进 风 口 的 流 量 为 5 OOOM / h，温 度 不 变. 重新计算得出，风速最大值为 3. 72m / S，最小 值为 l. 27mm / S、车厢内最高温度为 24. 7C ，最低 温度为 l5C ；进 风 口 附 近 的 温 度 较 低，在 l5 ~ l7. 4C 之间，车厢中部和底部温度较高，底部温度 在 22. 3 ~ 24. 7C 之间，车厢中部温度在 2lC 左右. " 改变进风口的温度为 23C ，进风流量不变. 重新计算得出，风速最大值为 2. 26m / S，最小值为 O. 77mm / S；车厢内最高温度为 28. 7C ，最低温度 为 23C ；进风口附近的温度较低，在 23 ~ 24. 8C 之间，车 厢 中 部 和 底 部 温 度 较 高， 底 部 温 度 在 27. 5 ~ 28. 7C 之间，车厢中部温度在 27C 左右.
ZHANG Cai-san ， FU Bin
（ SchooI of MechanicaI and VehicuIar Engineering，Beijing Institute of TechnoIogy，Beijing 100081 ，China）
Abstract ：With eIectronic cooIing system of I-DEAS ，a certain eIectric vehicIes 'temperature distribution and veIocity of fIow is numericaI simuIated in this paper. Besides，there are the mathematic modeI and process of numericaI simuIation. After numericaI simuIation and contrasting different vaIue of Vent's FIuX and temperature ，the resuIt proves that the choice of air-condition parameters is reasonabIe. Key words：temperature；veIocity of fIow ；numericaI simuIation 无论是普通公交车还是电动客车，舒适性送风 控制均成为重要的研究课题. 热舒适性（ thermaIcomfort） 这一术语在研究人体对热环境的主观热反 应时已被广泛使用. 影响热舒适的主要因素有：温 度、相对湿度、平均辐射温度、风速、衣服热阻和 劳动强度. 空调客车车厢内热舒适性与空气温度 场、速度场密切相关. 研究空调车室内空气速度分 布、温度分布、送风参数与送风位置对空气流场与 人体舒适性的影响，从而获得最佳动态送风控制规 律，不仅可以实现汽车空调系统的舒适性控制，而
［ 1］ 且也为开发节能型汽车空调奠定基础 .
作者使用 I - DEAS 中的 ESC （ 电子冷却系统） 模块，对北京理工大学所研制的某型电动公交大客 车的车厢内部温度场和空气流场进行了模拟计算. 模型采用 ! - ! 三维紊流模型，应用有限单元法计 算了空调汽车车室内气固耦合传热问题，对空调车 室内气流组织，主要是对速度场和温度场进行了数 值模拟.
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2
建立几何和物理模型
车厢内部的结构比较复杂，包括座椅、车门、
（3） 方程中 h 和 h' 分别为时均静态焓和脉动静态焓； T 为温度； - PU j h' 为雷诺流量； S h 为能量的源项； I 为导热系数；c p 为常压下的比热. 1. 2 湍流模型 在 ESC 中，流动可以作为层流或湍流来解算. 车窗、车厢护围和扶手等设施. 对于温度场的研究 不必将所有的设施全部建立出来，扶手对于车厢内 空气流动和温度的分布影响均不大，所以在建模型 的时候可以省略. 由于车厢内的座椅较多，所占的 体积较大，对空气的流动和温度场有显著的影响，
收稿日期：2004 05 19 作者简介：张才三 （ 1950 ） ，男，副教授.
・ 46 ・
车辆与动力技术
Βιβλιοθήκη Baidu2004 年
本研究主要使用湍流模型 （ 固定粘度模型，混合长
1
数学模型
在 ESC 中，流体解算器可以计算质量 守 恒、
度模型和标准 I - 9 两方程模型） 来模拟雷诺 （ 或湍
［ 4］ . 用这 3 种模型，雷诺压力和流 流） 压力和流量
・ 48・
车辆与动力技术
2OO4 年
图3
车厢内的空气流动速度
2 ）车厢内的温度分布情况 图 4 车厢内的温度分布图. 车厢内的最高温度 是 25C ，最低温度是 l5C . 在进风口的附近温度
较低，为 l5 ~ l8C 之间，车厢中部和底部温度较 高，底部温度在 23 ~ 25C 之间，车厢中部温度在 22C 左右.
mm X 450 mm X 900 mm，其中坐椅共有 29 个，前 后共有 ll 排. 入风口是位于车厢顶部的矩形 340 mm X l 600 mm. 回风口位于车厢的两侧上部，共简化为 8 个， 每个 40 mm X l0 mm. 图 l 为简化后的车厢模型.
图l
简化后的车厢模型
力为一个标准大气压.
第4 期
张才三等：使用 ESC 数值模拟公交车车厢内温度场和空气流场
・ 47・
因此必须保留，在建模的时候可以将座椅的外形简 化为矩形. 经过实际的测量，电动公交客车的车厢的长 X 宽 X 高为 l2 650 mm X 2 300 mm X 2 300 mm. 车厢 中台阶高度为 250 mm，简化为矩形的坐椅为 400
3 ） 热源：即车厢的底部由电池仓散热而产生 的受热部分，采用自由 3 节点网格，边长为 0. 003 m，由于是对流换热，故需要定义其表面粗糙度为 0. 0005 m，每一单位面积所发出的功率为 200 W， 共有 l0 个单位面积分布在车厢的底部. 4 ） 车内的空间：采用 4 节点立体网格，由于 空间较大，故网格的边长为 0. 0l m. 网格划分如 图 2 所示.
t
= C
式中 1. 3
解算方法 对于数值求解方法可应用有限差分法离散控制
微分方 程，应 用 SIMPLEST 算 法 求 解 离 散 控 制 方 程. 1. 4 车厢内的空气流动状态 车厢内空调送风速度比较低，且空调车厢空间 小，需同时考虑强迫对流和自然对流的影响. 空调 器的送风口射流送风对车室内的空气形成卷吸作 用，对车室内的空气形成强烈的扰动，车室内的空 气由于温度分布的不均匀而在浮升力的作用下会形 成局部的流动. 因此，车室内的空气流动状况是非 常复杂的，是典型的紊流流动.