基于送风参数的纯电动公交车内速度场和温度场分析＊

周柯，胡广地，郎晓玥

基于送风参数的纯电动公交车内速度场和温度场分析＊

周柯，胡广地，郎晓玥

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 630031）

结合纯电动公交车设计图纸与国家标准成年人体尺寸统计数据，构建了满载乘客的车厢全尺寸几何模型。根据车厢各部分传热特点设置合理的边界条件，选取标准k-ε湍流模型，通过FLUENT软件，对送风速度和温度2种种送风参数7种采暖工况进行了仿真计算。结果表明，受人体、座椅和台阶影响，车厢内不同区域流场分布结构形式有较大差别，送风速度增大车厢内的气流混合更为均匀；送风温度变化时车厢内流场分布变化较小，整个车厢内温度沿X轴方向逐渐上升；车厢过道的空气温度显然高于靠窗侧。研究结果对纯电动公交车送风参数的优化合进一步改善气流组织都具有一定的参考价值。

纯电动公交车；送风参数；气流组织；温度场

CLC NO.: U453.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-112-04

前言

随着公共交通的发展，人们在公交车内度过的时间增多，车内环境质量越来越重要。为了驾乘人员健康和身心舒畅，车厢内必须有一个良好的气流组织。公交车内人员密度和空间都较大，设置合理的送风参数更为重要。车内环境不舒适，司机精神状态容易不好，严重时可能引起操作失误，造成交通事故[1,2]。

传统的汽车空调设计一般采用试验法，即建造一个车厢内环境模拟实验室（环境仓），按照相关标准设置环境条件，通过仪器测量重要位置的空气速度和温度，评价空调系统的好坏[3]。这种优化设计方案的方法效果不错，但整个试验周期长，且花费高。随着计算机技术的迅速发展，目前设计汽车空调系统时，研究人员广泛采用计算流体动力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）进行数值模拟计算[4,5]。用CFD技术做空调系统优化速度快，成本低。在数据资料齐全的情况下，其模拟结果可以用于工程设计。

目前国内外对汽车车厢内流场和温度场的数值模拟研究主要集中在轿车，仿真工况绝大多数为夏季。冬季和夏季情况区别较大。本文基于FLUENT软件，运用CFD技术对纯电动公交车车厢内气流组织进行了深入的研究和分析，得出合理的送风参数，可以为将来的相关研究提供帮。

1 模型的构建

1.1 车厢几何模型

本文研究对象为一款纯电动公交车。根据设计图纸，按照实际尺寸1∶1比例建立几何模型，车厢内对温度场和速度场影响较小的结构做如下简化：（1）忽略扶手、方向盘、刹车等对气流影响不大的细小零件；（2）将车窗和车身视为垂直，忽略车窗连接处材料；（3）把仪表盘的顶面简化为水平面，仪表盘和投币箱合并成一个梯形台；（4）忽略车厢内部一些微小曲面和夹角。图1为简化几何模型，具体尺寸：车厢净长8.7 m，宽2.3 m，高2.15 m；顶部两侧共设有12个200 mm×100 mm矩形格栅送风口；顶部中间设一个800 mm ×400 mm矩形格栅回风口，通过过道集中回风。

图1 车厢简化几何模型

1.2 数学模型

本文选用工程实际中常用的标准k-ζ[6]湍流模型来对车厢内冬季采暖过程进行数值模拟计算，为简化问题，对车厢内作如下假设：（1）空气流动和传热视为稳态；（2）忽略固体壁面间的热辐射；（3）空气不可压缩，符合Boussinesq假设；（4）不考虑漏风。在假设的基础上，建立如下控制方程：

连续性方程

动量方程

能量方程

湍流动能方程（k方程）

湍流耗散率方程（ε方程）

各变量的意义及式中系数的取值见文献[6]。

1.3 网格划分

本文采用ICEM软件进行网格划分。根据车厢内部结构尺寸大小，将全局网格参数Max element设置为50 mm，同时考虑到送回风口流体参数变化较大，人体附近是研究的重要区域，所以我们定义这两个Part的网格尺寸Max Size=25 mm，对局部区域做适当的加密处理。质量不好的网格，观察其周围的Geometry和Block并检查映射关系，进行调整。最终用于计算的网格数量为5×106，网格quality值大部分都大于0.4，在0.3-0.35之间的网格单元只有16个，满足计算要求。

2 边界条件与数值计算

2.1 边界条件设置

送风口和回风口边界类型设置分别为Velocity-inlet、Pres ure-out，湍流边界条件选取水力直径（Hydraulic Diameter）D和湍流强度（Turbulence Intensity）I。其他边界类型设置为Wall。车厢顶部、地板和两侧取第三类边界条件，根据各部分材料和厚度分别计算其综合传热系数K；车厢前部仪表台部分较厚，可视为绝热边界；考虑到公交车骨架结构复杂，存在“热桥“现象，使其导热具有三维特性，增大部分区域热量损失，取一个修正系数Ks。该款电动公交车后备箱放有大量电池，散发的热量不可以忽略，可设置为绝热壁面。车厢内人员视为热源，人体散热量按116 W/人计算，座椅面按绝热条件进行处理。车厢内固体壁面和空气的耦合问题，壁面粘性系数可视为无穷大，即气、固交界面空气流动采用固体壁面无滑移条件，即ui=0 m/s。

2.2 数值计算方法

本文采用FLUENT软件进行数值计算，采用SIMPLE算法求解离散控制方程。压力离散采用二阶格式，除能量方程和动量方程采用二阶迎风格式进行离散，其他方程采用一阶迎风格式。

本文的计算工况有7种，分别从送风速度和温度两个方面对车厢内速度场和温度场的影响进行分析。具体的送风参数见表1。

表1 空调送风参数

3 模拟结果及分析

3.1 送风速度的影响

（1）由图2可知，受人体、座椅和台阶影响，车厢内不同区域流场分布结构形式有较大差别。Ⅰ区驾驶员座椅左右两侧均有涡旋，且随送风速度的增加涡旋稍有下移，车门一侧气流方向由下向上且较稳定；Ⅱ区左右对称送风，由于回风口不断吸气的影响，流动在车厢中部加强，形成两个较大的气流涡旋，且随送风速度的增加涡旋增强；Ⅲ区有送风口的一侧人体两边涡旋相对较强，另一侧气流均匀平稳，但在顶部区域空气流动性很差，当送风速度从1 m/s上升到4 m/s时，该区域流场分布结构形式基本不变，但空气流动强度明显上升。

图2 工况2（a）和工况4（b）X各断面速度矢量

（2）由图3和图4可知，四种送风速度下车厢内速度的变化趋势相似，速度在座椅及台阶周围有较大波动，稳定的速度区域出现在高度1.0-1.7 m之间，由于回风口的影响，车厢中部3.5-5.5 m区域速度相对于两端偏大0.1-0.2 m/s，空气流动性更好。当送风速度为4m/s时，在靠近车窗送风口正下面乘客座椅区域的空气流速非常大，可高达1.4m/s，会产生强烈的局部吹风感，远远大于冬季车厢内舒适的空气流速；随着送风速度降低，这个值逐渐减小，当送风速度为1m/s时，该值已经低至0.4m/s。所以，我们应该尽量避免送风口直接吹向人体。当送风速度为4m/s时，过道处乘客头部区域速度为0.3m/s左右；当送风速度下降至2m/s时，头部区域速度降至0.1—0.2m/s之间，而整个车厢内空气流速在0.3m/s左右，满足 ASHRAE标准[7]所规定的人员附近局部区域风速小于 0.3 m/s 的标准要求；当送风速度为1m/s时，车厢内空气流速非常小，车厢两端大部分区域低于0.05m/s，不符合UIC 553-1-2005标准规定的风速不小于0.07 m/s，空气流动性非常糟糕，乘客会有无风感，容易产生闷热的感觉。

图3 速度沿Z轴和X轴方向变化趋势（四种送风速度）

图4 工况2，Y=1.15 m断面速度标量

（3）由图5可知，降低送风速度使车厢内温度整体逐渐降低，且温度不均匀性增强，这是由于其他参数不变的情况下，送风速度减小，不仅送入车厢内的热量减少，且流动带来的扰动和强化换热效果减弱。整个车厢内温度沿X轴方向（从前挡风玻璃处到车厢尾部）逐渐上升，沿Z轴方向变化不大。当送风速度为1m/s时，车厢前挡风玻璃处温度低至13.4 ℃， X=0.85 m断面平均温度为17.4 ℃，前部区域温度明显低于舒适性要求，驾驶员将感到热不舒适，不利于安全驾驶；而X=6.97 m断面平均温度为24.7 ℃，且乘客附近局部区域（占整个断面面积25%）温度高达28.8 ℃，前后温差变化超过7℃，极其不均匀。一方面是因为车厢前部围护结构传热系数更大（玻璃面积比例大），热量损失更多，另一方面车厢后部送风口更为密集，乘客数量更多，且又受后备箱电池散热的影响，周围空气获得较多热量。送风速度增加，前后温度不均匀性减弱，当送风速度为4m/s时，前后温差缩小至3℃。

图5 温度沿Z轴和X轴方向变化趋势（四种送风速度）

3.2 送风温度的影响

（1）由图6可知，在送风速度不变的情况下（2 m/s），只改变送风温度，车厢内速度场变化趋势基本相同，速度值及分布基本也没有变化，这说明汽车空调系统的送风温度对车内流场分布影响较小。

图6 速度沿Z轴和X轴方向变化趋势（四种送风温度）

（2）由图7可知，送风温度的改变使得车厢内的温度值变化较大，这是由于单位时间内进入车厢内的热量不同。送风温度的变化量与其所引起的车厢内温度变化量大小相近，即送风温度升高1℃，车厢内平均温度也升高1℃。但是沿Z轴和X轴方向上温度的变化趋势相似，同样证明送风温度对车厢内流场影响很小。当送风温度为21℃时，车厢前部大部分区域温度低于17.3℃，温度偏低；当送风温度为24℃时，车厢尾部大部分区域温度高于25.8℃，乘客会感觉闷热；当送风温度为23℃时，车厢内温度大部分处在19.2-24.3℃范围之间，可勉强满足驾驶员热舒适性要求，同时后部乘客不会感到太闷热。

图7 温度沿Z轴和X轴方向变化趋势（四种送风温度）

由图8可知，车厢过道的空气温度显然高于靠窗侧座椅区域空气温度，靠窗且有车门一侧的温度比靠窗无车门一侧温度低，这是由于玻璃传热系数较大，大量热量在从车窗车门损失，将会导致靠窗侧的车内人员不太舒适。

图8 工况2，Z=1.375 m断面温度分布

4 结论

针对纯电动公交车内部的几何构型（含车内人员）、车身壁面结构、车内空气流动传热特点，构建了相应的热负荷模型和数值计算模型，对冬季采暖工况进行了数值模拟，分析了车厢内流场、温度场分布情况，获得的结论如下：

（1）把纯电动公交车车厢内部划分为驾驶区、老弱病残区和后排双座区，并对各区流场和温度场的分布情况进行详细分析，为确定空调最佳送风参数、优化气流组织设计方案提供了参考，进而可以缩短设计周期，节省资源。

（2）综合来说，送风口送出气流衰减都很快，送风速度逐渐增大，虽然车厢内的气流混合更为均匀，但必然导致送入车厢内的热量增加，将消耗更多的能量。送风速度过大，又会使靠近车窗送风口下面乘客座椅区域的空气流速过大，吹风感过强；送风速度过小，车厢内会产生很多速度几乎为0的“气流死区”，空气将很不新鲜。车内人员可以通过调节送风角度来降低吹风感和减少“气流死区”。送风速度设置为2—3m/s时，车厢内流场较为合理。

（3）空调系统的送风温度变化时车厢内流场分布变化较小。送风温度的变化量与其所引起的车厢内温度变化量大小相近，即送风温度升高1℃，车厢内平均温度也升高1℃。整个车厢内温度沿X轴方向（从前挡风玻璃处到车厢尾部）逐渐上升，沿Z轴方向变化不大。

[1] 徐德蜀. 安全文化、安全科技与科学安全生产观[J]. 中国安全科学学报, 2006, 16(3)∶71-82.

[2] 张力,黄曙东, 何爱武,等. 人因可靠性分析方法[J]. 中国安全科学学报, 2001, 11(3)∶6-16.

[3] Yamamoto K, Kawahashi M, Hosoi K, et al.Experimental analysis of flow in automobile airconditioner-velocity measurement and flow visualization by dual-beam-sweep laser speckle velocimetry[J]. JSAE Review, 1991, 13∶ 65-69.

[4] Damodaran V, Kaushik S. Simulation to identify and resolve under -hood/underbody vehicle thermal issues[J]. GM, JA118, 2000.

[5] EI-Khabiry S. Simulation Reduces Time Needed to Design Commercial Vehicle Air Conditioners. Fluent Inc, JA125,2001

[6] 王福军. 计算流体动力学分析[M]. 清华大学出版社, 2004.

[7] American Society of Heating, Refrigeration and Air-conditioning Engineers. ANSI/ASHRAE Standard 55-2004 Thermal Environmen -tal Conditions for Human Occupancy[S].Atlanta, 2004.

Analysis of Velocity Field and Temperature Field in Pure Electric Bus Based on Air Supply Parameters

Zhou Ke, Hu Guangdi, Lang Xiaoyue
( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Sichuan Chengdu 630031 )

Combined with the design drawings of a pure electric bus and the statistics of national standards adult body size, the full-size geometric modeling of the bus with driver and passengers is constructed. k-ε turbulence model are chosen, then the air supply velocity and temperature are simulated under seven heating conditions by the software FLUENT. The results show that the air flow organization in different areas of the bus is greatly affected by the human body, the seat and the step. With the increase of air supply velocity, the air flow in the compartment is more uniform. When the air temperature is changed, the distribution of flow field in the compartment is very small. The temperature along the X-axis direction gradually increase and the air temperature of the aisle is obviously higher than that of the window. The result have a reference value on ascertaining the best air parameters and improving air flow organization of pure electric buses.

Pure electric bus; Air parameters; Air organization; temperature field

U453.5

A

1671-7988 (2017)16-112-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.039

周柯（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向汽车空调系统优化设计。