汽车乘客热舒适度大挑战，如何利用仿真技术提高汽车环境舒适度

舒适性在人们选择汽车的决定性方面占比越来越重，而汽车乘员舱环境的舒适性是指为乘员提供舒适愉快便利的乘坐环境与条件，包括良好的平顺性、车内的低噪声、适宜的空气环境以及良好的驾驶操作性能。

舒适性

经济性

安全性、动力性

典型的乘员舱热舒适性模型

在乘员舱舒适性的评价体系中，热舒适性是其中一个至关重要的因素。热舒适性，在美国供暖空调工程师学会的标准中已有明确的定义，即：热舒适是对热环境表示满意的意识状态。影响人体热舒适性的因素主要包括环境因素和人的因素，其中环境因素主要包括：空气温度、平均辐射温度、空气流速、空气相对温度等。

空调系统对能耗的影响

燃油车

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https://www.fueleconomy.gov/feg/hotweather.shtml

电动车

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https://newsroom.aaa.com/2019/02/cold-weather-reduces-electric-vehicle-range/

SimLab 流程

▇ 模型分解：

▇ CFD 网格：

采暖仿真

• 乘员舱初始温度 255.4K (-17.8°C)  

• 典型的采暖模式：

  a) 两个前排吹脚出风口

  b) 两个后排吹脚出风口（若有后排吹脚）

  c) 两个中控台出风口

中控台出风口关

中控台出风口开

• 两个模式，中控台出风口关和开

• 采暖模式不考虑太阳辐射

• 通过赋予模型表面对流换热系数 h 来定义车速

热壳单元

▇ 使用薄壁热壳单元来模拟玻璃、门、车顶、中控台等薄壁部件：

▇ 座椅材料参数如下：

入口和出口边界

▇ 不同入口流量见下表：

▇ 入口温度变化曲线见下图

▇ 出口为静压 0

模型参数

▇  非直接耦合法:

1. 求解稳态流场

2. 冻结步骤 1 的流场，计算瞬态温度场

▇ 初始状态

• 非直接耦合法，瞬态计算以稳态流场作为初始状态

• 初始温度 255.4K (-17.8°C)

结果 – 采暖仿真

▇ 采暖仿真-流线：

▇ 中截面温度分布(in Kelvin ~30 min): 

中控台出风口关

T= 285K

中控台出风口开

T= 285K

▇ 采暖仿真-乘员舱表面温度(in Kelvin ~30 min)

中控台出风口关

中控台出风口开

▇ 采暖仿真-乘员舱内平均温度随时间变化

乘员脚部温度随时间变化曲线

降温仿真

乘员舱内初始温度 333.15K (60°C)  

降温模式, 前排吹面 4 个出风口，中控台两个出风口 

降温仿真持续 30min，中控台出风口开和关两个模式

中控台出风口关

中控台出风口开

▇ 降温仿真

• 太阳辐射: 热通量 1000 W/m^2  -Z 方向

• 通过赋予模型表面对流换热系数 h 来定义车速

▇ 热壳单元

使用薄壁热壳单元来模拟玻璃、门、车顶、中控台等薄壁部件

▇ 入口和出口边界

• 不同入口流量见下表：

• 入口温度变化曲线见下图：

• 出口为静压 0

▇ 模型参数

非直接耦合法:

1. 求解稳态流场

2. 冻结步骤 1 的流场，计算瞬态温度场

初始状态：

• 非直接耦合法，瞬态计算以稳态流场作为初始状态

• 初始温度 333.15K (60°C)

结果-降温仿真

▇ 降温仿真-流线

中控台出风口关

中控台出风口开

▇ 中截面温度分布(in Kelvin ~30 min):

中控台出风口关

中控台出风口开

▇ 降温仿真- 乘员舱表面温度(inKelvin ~30 min)

中控台出风口关

中控台出风口开

▇ 降温仿真- 乘员舱内平均温度随时间变化

乘员舱平均温度随时间变化

▇ 降温仿真-乘员躯干部位温度随时间变化

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