客车空调送风参数对室内流场的影响研究

彭 倩 黄继文 刘金武 陈笃廉 张 纲



客车空调送风参数对室内流场的影响研究

彭 倩1黄继文1刘金武1陈笃廉2张 纲2

（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院 厦门 361000；2.厦门金龙旅行车有限公司 厦门 361000）

旨在研究空调送风参数对室内热流场的影响，以某9m旅行客车为研究对象，建立三维流场模型；基于RNG湍流模型；采用SIMPLE算法计算了客车室内5组不同送风参数下的气固耦合传热问题。结果表明：送风角度对整体温度场与速度场的分布影响较大，送风角度为15°时乘员舒适性较好；在送风温度不变的情况下，随着送风速度的增加室内平均速度增大，车内平均温度也随之降低，而送风温度仅对温度场有明显影响。

空调客车；数值模拟；气流组织；温度场

0 引言

良好的客车室内流场与温度场组织不仅能提高乘员的热舒适性，有利于行驶安全，而且能够提高室内冷量利用率，减少能源消耗[1,2]。客车室内的热舒适性与空调的送风参数有密切关系，由于客车内部结构较复杂，运行环境温度多变，乘员数目不固定，自然对流、强制对流与热辐射等多种传热方式并存[3]，用试验的方法研究客车室内热流场存在一定的难度，因此有必要在开发前期运用CFD技术对不同送风工况进行数值模拟，研究空调送风参数对室内流场的影响。

为了研究不同因素对车室内流场的影响，江涛等[4]通过模拟不同太阳高度角的辐射工况对轿车室内热流场的影响，并评价了不同工况下的人体舒适性，为轿车空调制冷系统的设计提供了参考；宋亚军等[5]进一步分析了外界环境的影响，并提出通过降低送风温度与选择玻璃新材料提高乘员舒适性。谢金法等[6]模拟了轿车室内动态降温过程，并用多岛遗传算法优化了送风角度；李超等[7]研究了地铁车厢内送风参数、温度场、速度场和气流组织之间的相互关系。上述研究表明车室内热流场受外界环境与空调送风参数影响较大，上述研究多集中在轿车上，轿车多采用上攻角送风，而客车多采用顶部向下送风，在送风方式上有着较大差异。在此基础上文章分析了不同的送风参数对客车室内速度场与温度场的影响。

1 客车车厢数值模型

1.1 物理模型

以某39座空调客车为研究对象。车室内长度8.9m，宽2.5m，高2.69m，左右布置座椅，走廊位于纵轴线上，由于客车室内结构复杂，简化了仪表盘等对内流场影响较小的细微结构，考虑到行李架对出风口到乘员距离有影响，所以对行李架进行建模，风道位于左右两侧行李架内，驾驶员与最后排乘客处风道位于车顶，送风口沿长度方向均匀分布；通过走廊集中回风，回风口位于车顶中央。其简化模型如图1所示。

图1 客车车室简化模型

1.2 数学模型

为了简化问题作如下假设：

（1）车室内空气流动为稳态湍流，传热过程为稳态；

（2）客车室内空气符合Boussinesq假设；

（3）车厢气密性良好，无气体泄漏；

（4）忽略室内壁面之间热辐射。

各控制方程表示如下：

（1）连续性方程：

（2）动量方程：

（3）能量方程：

表1 湍流数学模型中的常数

1.3 边界条件和计算方法

客车在行驶过程中，受外部环境、空调送风参数、乘员散热等因素影响，室内的空气流动与传热情况比较复杂，在数值模拟中，客车车室边界条件的建立是关键。车室壁面与车窗受车外对流换热、热传导和太阳辐射的影响，选用混合边界作为热边界条件；地板采用导热边界；不考虑服装热阻影响，将乘员简化为恒定散热热源，热流密度为116W/m2，附加在座椅壁面；空调回风口采用压力出口边界，=101325Pa；送风口采用速度进口边界，送风角度为风速与垂向夹角，具体送风参数见表2。采用SIMPLE算法计算离散控制方程，对流项采用二阶迎风离散格式，松弛因子取Fluent软件默认数值。

表2 空调送风参数

2 结果分析

分别从送风角度、速度及温度对车室内速度场和温度场的影响进行分析，取第三排座椅处送风口下横截面为对比分析截面。速度等值线图的单位为m/s，温度等值线图的单位为K。

2.1 送风角度的影响

图2至图4给出了送风温度（291.15K)、送风速度3m/s相同，送风角度分别为0°、15°与30°的截面温度与速度等值线图。

对比其速度等值线图可以看出冷风射流基本呈直线状，其轴心速度沿送风角度向下，扩散角度较小，其中0°时乘客头部高度时速度减至0.50m/s，15°时减至0.43 m/s，30°时减至0.40 m/s，随着送风角度的增大冷风射流到人体头部高度时速度减小，有利于减轻吹风冷感。

由三种工况温度等值线图可知，送风角度为0°时，近窗乘客区域温度明显低于邻近走道区域温度，会导致近窗乘客有吹风冷感影响舒适性，地板处平均温度高于乘客头部平均温度2.8°；15°时乘客头部高度温度分布较均匀头部平均温度较地板处高2.4°；30°时近窗乘客处温度明显高于邻近走到区域，且近窗处乘客头部温度高于地板处1.2°。随着送风角度增大，流入车厢底部冷量增大，乘客头部与脚部的温差逐渐减小，当送风角度增大至30°时，乘客脚部温度低于头部温度，出现头热脚凉现象，降低了乘员舒适性。

（a）速度等值线图（b）温度等值线图 图2 截面速度与温度等值线图（工况1）Fig.2 Section velocity and temperature contour map(condition1) （a）速度等值线图（b）温度等值线图 图3 截面速度与温度等值线图（工况2）Fig.3 Section velocity and temperature contour map(condition2) （a）速度等值线图（b）温度等值线图 图4 截面速度与温度等值线图（工况3）Fig.4 Section velocity and temperature contour map(condition3)

2.2 送风速度的影响

图5为送风温度为291.15K，送风角度为0°，送风速度4m/s下截面的速度与温度等值线图，对比图1可知加大送风速度后流场平均速度增大，回旋气流动能增大有利于车内热量散出，但风口下乘客头部气流速度为0.71m/s，乘客会有较强的冷风吹面感，舒适性较差。同时，对比图1和图4温度云图可知，随着送风速度增大，输送的制冷量增多，明显降低了客车室内平均温度。

（a）速度等值线图（b）温度等值线图 图5 截面速度与温度等值线图（工况4）Fig.5 Section velocity and temperature contour map(condition4)

2.3 送风温度的影响

图6为送风温度288.15K，送风角度0°，送风速度为3m/s的速度矢量图与温度云图，对比图2速度等值线图可以看出，只改变送风温度对车室内速度场几乎没有影响。同时对比图2温度等值线图可知，将送风温度降低3K，整个截面的温度都出现明显的下降，平均温度相比工况1降低了1.7度，与3K相差较多，这是由于室内外温差增大，冷量耗散加快的缘故。

（a）速度等值线图（b）温度等值线图 图6 截面速度与温度等值线图（工况5）Fig.6 Section velocity and temperature contour map(condition5)

3 结论

（1）送风角度对客车室内速度场的分布有明显影响，对整体平均温度影响较小，但送风角度增加到30°时近窗乘客会感觉到头热脚凉，热舒适性差。15°时室内温度场与速度场分布较合理。

（2）送风速度对室内温度场和速度场均有明显的影响，增大送风速度可以增加冷风的送风量，有效降低车内温度，但乘客头部高度气流速度较高，使乘客有冷风吹面感，从而影响热舒适性；同时增加送风速度也会增加空调能耗。

（3）送风温度对客车室内速度场几乎没有影响，降低送风温度可以有效降低车室内平均温度，在极限工况下可通过降低送风温度降低车内温度而不使乘客产生吹风感。

[1] 陈见,曹伟武,胡必强,等.工程车辆驾驶室热舒适性评价[J].上海工程技术大学学报,2015(2):101-105.

[2] 李锐.制冷空调能耗及减排节能技术的分析[J].制冷与空调,2015,29(1):114-118.

[3] HAN T Y, CHEN K H, KHALIGHI B. Assessment of Various environmental thermal loads on passenger thermal comfort[R]. Detroit: Society of Automotive Engineers, 2010.

[4] 江涛,谷正气,杨易,等.太阳辐射对乘员热舒适性影响的研究[J],合肥工业大学学报(自然科学版),2011, 34(8):1135-1137.

[5] 宋亚军,赵兰萍,杨志刚,等.太阳辐射对车室内热舒适性的影响分析与改进[J].计算机仿真,2014, 31(7):148-152.

[6] 谢金法,段冉.基于Insight和Fluent软件的轿车空调风向优化研究[J].郑州大学学报(工学版),2014,35(3): 124-128.

[7] 李超,张成方.石家庄地铁3号线车厢内气流组织的数值模拟及分析[J].制冷与空调,2016,30(2):153-157.

[8] 王福军.计算流体力学分析[M].北京:清华大学出版社,2011:51-68.

An Investigation on the Impact of Air Inlet Parameters on Air-conditioned Bus Indoor Flow Field

Peng Qian1Huang Jiwen1Liu Jinwu1Chen Dulian2Zhang Gang2

( 1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen, 361000;2.Xiamen golden dragon bus Co., Ltd, Xiamen, 361000 )

The study aims to investigate the effect of inlet air parameters on indoor heat flow field. Geometrical model was built based on a 9m coach. The influences of five groups of different air parameters on the interior velocity and temperature filed were calculated using RNG-turbulent model and SIMPLE algorithm. The results manifest that inlet air angle has a great effect on the velocity field and temperature field, passenger's thermal comfort is well when the inlet air angle is 15 degree; with the increasing of inlet air velocity, the interior average temperature is reduced; the inlet air temperature only has an influence on temperature field.

air conditioning coach; numerical simulation; air organization; temperature field

1671-6612（2016）06-716-04

TP391.9

A

国家外专局高端外国专家项目（GDT20153600065）；福建省教育厅JK项目（JK2014036）；厦门理工学院研究生科技创新计划项目（40315014）

彭 倩（1982.6-），男，博士，副教授，E-mail：pengqian@163.com

黄继文（1990.5-），男，在读研究生，E-mail：huang_xmut@163.com

2016-07-06