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VirtualFlow | 汽车室内舒适性仿真分析
随着汽车工业技术的飞速发展车室内舒适性成为了评判汽车品质的标准之一。


人们对汽车功能需求趋近多样化,动力性、操作性、安全性、舒适性等都是现代大部分消费者所考虑的问题。舒适的车内环境可以有效减轻驾驶员和乘客的疲劳感,提高驾驶效率和安全性,尤其在长距离行驶情况下。因此,在各大汽车企业中提高汽车驾驶和乘坐环境的舒适性已经成为研究的主题与热点。

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图1 汽车室内舒适性


几 何 模 型

考虑到实际车内结构复杂导致前期网格划分困难,网格量大,过多的网格和节点需要较多的计算资源和存储空间;并且车室内部的一些结构细节(如方向盘,仪表盘灯)无法和整体的网格尺寸相适应,导致网格精度低进而降低计算的精度。因此,对车室内部进行一定程度的简化,具体简化如下:

  • 忽略对室内气流组织影响较小的结构,如车门把手、档位杆、方向盘等零件,且将整个车体视为同一材质;

  • 人体模型按照正常成年人的标准进行建立并做一定程度的简化;

  • 仪表台处的送风口简化为两个送风口,车顶部设置一个较大的回风口。

表1为简化后车室的主要内部结构尺寸,利用三维建模软件对其进行建模,车舱几何模型见图2。

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表1 车室内部几何结构尺寸

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图2 车舱几何模型


网格划分及边界条件设置

将创建好的几何模型,导入实云流体仿真软件中进行网格划分与边界条件设置。实云流体仿真软件IST/BMR网格技术摒弃了传统网格技术中的长宽比、单元伸展和扭曲度等技术参数,导入CAD文件即可自动快速生成结构化网格,并可根据分析需求对模型分块和局部加密

本算例将空间网格划分为32块,采用32核进行并行计算,划分好的网格总量为86万,空间网格分布图如下图所示(车厢外壳几何进行了隐藏)。提高人体及座椅附近的求解精度,网格采用了变网格进行划分靠近座椅附近网格较密,远离座椅位置,网格渐疏

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图3 笛卡尔空间网格

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图4 笛卡尔空间网格俯视图

在计算过程中,环境设定为夏季曝晒后,汽车室内温度假设为323K,忽略人体发热,采用k-ε湍流模型及标准壁面函数,稳态求解器进行计算。送风口(图5中绿色位置)采用速度进口,送风速度为3m/s,送风温度为293K,送风方向为水平方向,即送风角度为0°,出口采用常压出口。

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图5 边界条件示意图(车厢外壳几何进行了隐藏)


计算结果分析

汽车室内舒适性问题,需要综合考虑多种因素,包括室内空气压力场、速度场和温度场的分布,室内气流组织形式,车室内外送风口和回风口的位置和尺寸等等。


速度场分布

本案例主要针对某一确定的送风及回风口进行分析,图6-图8为计算模拟得到的车内平面速度场流场分布结果。

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图6 平面速度场分布

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图7 平面速度矢量图


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图8 平面速度场等值线图

图9为汽车室内流线分布。

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图9 车厢内流线分布图

图10为汽车室内人体周围流线分布。

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图10 车室内人体周围流线分布

从以上速度场计算结果可以看出,由于射流主体流经前排两个座椅两侧,所以导致驾驶员和副驾驶员位置两侧速度过高,对于水平送风方式来说,这种情况是不可避免的。为了控制局部区域流速过高,可尝试改变送风角度


另外,由于送风口位置、尺寸问题,导致前排人体附近速度较高,针对该问题,可进行送风位置及尺寸的优化分析,以达到舒适性要求。

温度场分布

图11-图12为送风速度为3m/s时汽车室内某平面速度场分布云图。


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图11 人体表面温度场分布


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图12 平面温度场分布云图及等值线图


由以上结果可以看出,受流程分布的影响,温度场出现驾驶员两侧温度低的现象,这在实际体验过程中是非常不舒服的,应当避免该现象的产生。同时,还可以注意到,前后排温差较大,应该采取措施,在满足前排舒适性的同时兼顾后排。

随着汽车工业的发展,人们对汽车品质的要求越来越高,尤其是车室内的舒适性要求,研究表明最舒适的温度在相对35-65%,干球温度为23-27℃,车内空气流速不大于 0.2-0.5m/s,此时能保证人体和周围环境的最佳热平衡,乘员的舒适性最好。

实云流体仿真软件能够方便、快速地模拟汽车内的速度场与温度场分布,帮助设计人员准确高效地找到满足舒适性要求的最佳方案。