机舱舒适性仿真分析_20150114

-
-9-
STAR-CCM+ 技术特点- 1
1. 处理复杂的几何模型 • 包括内部、外部、HVAC设备、乘员等所有的细节 • CAD几何的导入/修复、自动化六面体与多面体网格
STAR-CCM+ 技术特点- 2
2. 丰富的热流体分析模型 • 流动、传热（对流、导热、耦合传热）、多相流 • 热与太阳辐射 • 特殊模型：HVAC风扇、换热器、蒸发器、冷凝器 • 稳态与瞬态
舒适性评价使用的指标
-
预期平均投票数：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Hale Waihona Puke Baidu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。
T：水蒸气温度[K]
-
水蒸气的分压力即，(压力)×(水蒸气的摩尔分数)
PH 2O P X v
P ：圧力[Pa] Xv ：水蒸气的摩尔分数
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。
案例: 汽车热舒适性分析
乘员周围的温度场
Air temperature
Surface temperature
Page 19
案例: 汽车热舒适性分析
热舒适性参数PMV Indicates uncomfortable head, torso & right arm
Right arm cooler than left due to flow bias
-
-
Comfort Range (persons satisfied)
舒适性评价使用的指标
-
预期平均投票数：Predicted Mean Vote (PMV) 定义式：
PMV 0.303e0.036M 0.028 M W H Ec Cres Eres

舒适性评价使用的指标
-
预测不满意百分数： Predicted Percentage of Dissatisfied(PPD) PPD指得是，对在一特定环境感到不适人员的比例。
-
定义式
PPD 100 95e
0.03353PMV 4 0.2179PMV 2

-
ISO标准中，PPD小于10%的状态为推荐热舒适状态。
案例: 汽车热舒适性分析
太阳辐射热流（指定太阳位置）
案例: 汽车热舒适性分析
乘员接收的太阳及热辐射
Solar
Thermal
案例: 汽车热舒适性分析
HVAC系统内的流动
案例: 汽车热舒适性分析
乘员周围的流场
streamlines colored by temperature streamlines colored by velocity magnitude
飞机的热舒适性分析
Temperature & velocity fields
火车的热舒适性分析
TEMPERATURE & COMFORT
TEST
VALIDATION
建筑的热舒适性分析
Streamlines
Predicted Mean Vote Computer model
Most comfortable Coldest
www.cd-adapco.com
利用Star-CCM+进行乘员舱舒适性分析
何安定 博士 Andy.he@cd-adapco.com 西递安科软件技术（上海）有限公司
简介
热舒适性
• • • • • • 人对于热环境的反应 传热方式包括导热、对流、及辐射 从定性上确定冷、暖和、热…… 半定量参数：LMV、PPD…… 定量参数：TRS 、RH、MAA…… 交通工具（汽车、卡车、火车、飞机、船舶……）， 及建筑（房子、办公室、礼堂……）
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
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 P
STAR-CCM+ 技术特点- 3
专业的舒适性分析模型 (TCM): 1. STAR-CCM+:
• • • 模拟人体几何 计算人体表面的传热量（对流、导热、辐射） 将热分析结果传递到TCM
2. TCM:
• • 嵌入STAR-CCM+ TIM（Thermophysiological Occupant Model） 将人体模型简化为一个热网络 • 可以考虑热惯性，外部传热，内部导热，血液流动， 蒸汽换热（出汗与呼吸） • 分析可以得到人体温度分布, TRS, LMV….etc
RH
H 2O
Psat
PH2O ：水蒸气分压力[Pa] Psat ：饱和水蒸气压[Pa]
-
水的饱和蒸汽压计算公式使用JIS采用的SONNTANG公式
Psat exp[ 6096.9385T 1 21.2409642 2.711193e 2T 1.673952e 5T 2 2.433502 ln T ]
Clothing
Trunk
Head
Upperarm Forearm Hand Thigh
Lower Leg Feet Central blood system)
案例: 汽车热舒适性分析
输入参数
• • • • CAD模型 (可以包括HVAC系统) TCM模型（人体参数） 外环境参数 (车速, 空气温度, 太阳位置) 外部换热系数 (或者通过单独的外气动分析获得)
Reflection (inside/outside )
Opaque Wall: Transmissivity= 0 Absorptivity (r =1 - a)
Meshless (dis-joint bodies) (r (diffuse)= 1 - a) Albedo
Passenger compartment (Opaque Walls/Windows internal): Transmissivity Absorptivity (r (diffuse)= 1 – t - a)
Solar Radiation (diffuse/direct)
Window: Solar Transmissivity Solar Absorptivity (r = 1- t - a) Passenger compartment Solar Absorptivity Thermal Absorptivity (r (diffuse)= 1 - a)
总结
1. 人体的热舒适性越来越受到设计的重视
2. STAR-CCM+能够处理复杂的几何模型、进行高度自动化的网格剖分、同时 拥有丰富的物理模型， 可以用来仿真预测汽车、列车、飞机、及建筑内 的人体舒适性 3. STAR-CCM+的TCM模型就是专门为热舒适性分析而设计的，简单易用。它 拥有专门的面板，简介明了的参数设置，以及集成化的后处理。

-
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]
设计目标与要求
• 通过合理的加热、通风、空调（HVAC）、保温、及其它手段来获得舒 适的环境 • 需要模拟环境和人体之间的流动、对流、导热、及辐射（热与太阳辐 射）换热
➞ 所有这些都可以在Star-CCM+中进行
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：
-
预期平均投票数 [ Predicted Mean Vote (PMV)] 预测不满意百分数：[Predicted Percentage of Dissatisfied (PPD)] 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)]