0 前言
隨著生活水平的提高、汽車市場的成熟、氣候條件的惡劣，用戶越來越多的關注到汽車空調熱舒適性。適宜的熱舒適性，可以緩解駕駛疲勞，調節情緒，從而提高駕駛安全性。現階段，隨著消費水平的提高，熱舒適性已不僅僅是高端車的衡量標準，而是深入消費者內心的訴求。
在研究車輛熱舒適性時，由于內外環境因素的相互影響，同時由于有人體感官的參與，通過實驗手段進行分析難度重重，而通過CFD手段則能較好的解決這些問題。通過CFD計算，能獲取乘員艙的速度場與溫度場信息。乘員艙內的速度場、溫度場的分布是研究車室內氣流組織以及熱舒適性評價與研究的基礎，其分布與很多因素有關，如送、回風口形式、位置；送、回風狀態、廂體熱特性、乘員艙幾何形狀及熱源分布等。
目前，美國、歐洲、日本等汽車工業先進的國家和地區對CFD的基礎和應用研究都處于領先水平，國內也己利用CFD手段基于PMV評價熱舒適性。同濟大學汽車學院與奇瑞汽車就轎車熱環境模擬及風口面積對乘客舒適性的影響進行了研究，表明改變噴口面積可在一定范圍內調節車內熱舒適性，空調設計時可以利用這一點來提高冷負荷的利用率。吉林大學郭莉鈺以炎熱地區氣象參數為例，分析室外氣候和太陽輻射對汽車停放過程的影響狀況，以及采用自然預冷措施的作用和特征分析。
絕大多數的情況都著重考慮了輻射對熱舒適性的影響，并考慮到車身厚度以及車身傳熱系數等因素的影響，由于整車開發過程中玻璃的特性參數及車身的特性參數不能準確獲得，對整車開發產生不利影響，針對于此，本文依據實驗和標定數據，提出一組恒溫壁面邊界條件，利用Star CCM+對乘員艙的速度場與溫度場進行CFD計算，在此基礎上，對監測點的PMV值進行計算，從而評估乘員艙的熱舒適性。
1 數值計算理論
1.1 理論基礎
本文采用k-ε三維紊流模型方程。為了簡化問題，作如下假設：①乘員艙內空氣為理想氣體；②流動為穩態紊流；③考慮重力影響。
表1 PMV與熱感覺對應關系
當前，由P.O.Fanger推導出的熱舒適性方程可以計算出人對熱環境的舒適感覺，并將這種感覺分為7級（見表1）。國際標準化組織推薦的PMV范圍在-0.5～0.5之間，處在這種環境下人群的預計不滿意者比例為不大于10%。目前國內一般推薦PMV值在-0.75～0.75之間可視為適宜熱舒適環境。
1.2 計算模型
針對關注的特別位置，在模型內部創建監測點陣（如圖1），獲取每個點陣的速度平均值與溫度平均值的信息，再導入PMV方程中求取表征熱舒適性的PMV值。
圖1 某車型乘員艙監測點分布
2 數值分析及優化
2.1 基礎方案
圖2為原數據方案下的吹面風管出風口速度分布，可以看出主駕駛側和副駕駛側吹面風管出風口速度較一致，而中間出風口的速度一致性較差，右側出風口的風速要明顯高于左側出風口。
圖2 某車型基礎方案吹面風管出風口速度分布
從表2可看出，在原數據方案狀態下，中間出風口右側阻力低于左側出風口，使得中間出風口右側流量分配高于左側，對于相同的出風口面積，從而導致中間出風口右側風速大于左側。在這樣的影響條件下會導致乘員艙速度均勻性較差，從而導致乘員熱舒適性產生感官上的較大差別。
表2 基礎方案管道流量分配及壓降
從表3的計算結果可以看出，由于速度場的不均勻性，使得溫度場的均勻性受到影響，在熱舒適性上體現為不一致。
表3 基礎方案關注點熱舒適性參數
2.2 優化方案
針對由于流量分配不均而導致的吹面風管出風口速度差異，通過調整吹面風管的結構特點，平衡吹面風管各風口的流量分配，從而保證從風口噴出的氣流速度的一致性（如圖3），為整個乘員艙的流場與溫度場的平衡提供最基本的保證。在此基礎上，分別對優化方案的速度場與溫度場信息進行統計，利用PMV方程再次衡量熱舒適性。
圖3 某車型優化方案吹面風管出風口速度分布
表4 優化方案管道流量分配及壓降
通過優化，吹面風管的流量分配趨于平衡（如表4），乘員艙的溫度場與速度場均勻性得到了改善，關注點的熱舒適性參數處于推薦的較適宜區間（如表5）。
表5 優化方案關注點熱舒適性參數
3 結論
根據所提出的一組恒溫壁面邊界條件，利用Star CCM+對某車型進行CFD計算，在獲取計算模型的速度場與溫度場后利用PMV方程求取表征熱舒適性的PMV值。結果表明，在所提出的邊界條件下，能有效反映吹面風管的結構優化對乘員艙速度場與溫度場的影響，PMV值對優化方案的改動較敏感，該邊界條件能夠作為整車熱舒適性開發CFD分析的輸入。
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本文標題：基于PMV的汽車空調熱舒適性模擬與優化
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