隨著節(jié)能和環(huán)保問題的日益嚴峻，電動汽車成為“21世紀綠色環(huán)保汽車”。汽車公司也逐漸開始電動車的研制，車室內(nèi)舒適性的研究也越來越重要。室內(nèi)流場和溫度場研究的重要性引起世界各大汽車公司的廣泛關注，通用、福特、日產(chǎn)及克萊斯勒等積極開展這一領域的研究。車內(nèi)的舒適性與氣流流場和溫度場有密切關系，合理的氣流組織可使駕駛員或乘員獲得合適的溫度范圍及新鮮的空氣，從而降低駕駛員和乘員的旅途疲勞。而車室內(nèi)物理結構及外界環(huán)境直接影響室內(nèi)的溫度場與空氣速度場的分布，因此，進行汽車室內(nèi)空氣流場的數(shù)值模擬研究，通過數(shù)值計算方法研究復雜幾何邊界形狀、復雜熱邊界條件，以及小空間強迫對流、自然對流、輻射同時存在的復雜流動與傳熱問題，具有重要意義。
本文采用穩(wěn)態(tài)不可壓縮N-S雷諾時均方程，用湍流渦粘度模型處理雷諾應力項，方程的封閉采用高雷諾數(shù)K-∈模型，采用貼體坐標，應用整體法計算空調(diào)車室內(nèi)氣固耦合傳熱問題，并考慮了太陽輻射對溫度場和強迫對流對空氣流場的影響，對微型電動車空調(diào)車室內(nèi)的三維空氣流場和溫度場的分布進行數(shù)值模擬研究。
一、物理模型
微型電動汽車室內(nèi)物理結構復雜，其幾何參數(shù)為：車室內(nèi)長2.8m，車室內(nèi)寬1.3m，車室內(nèi)凈高1.6m；有兩排座椅，其布置如圖1所示。座椅成100°夾角，前擋風玻璃與豎直面成45°夾角；送風口布置在前面板上，有三個送風口，回風口有兩種布置方式。方案一和方案二的區(qū)別只是回風口的布置方式不同，本文只給出方案一的車室布置簡圖。
方案一：回風口布置在汽車前端；
方案二：回風口布置在汽車后端。
二、數(shù)學模型
由于車室周圍均受到太陽輻射和外界空氣的影響，采用穩(wěn)態(tài)不可壓縮N-S雷諾時均方程，用湍流渦粘度模型處理雷諾應力項，方程的封閉采用高雷諾數(shù)K-∈模型。為了簡化問題，做如下假設：
1．車室內(nèi)空氣為不可壓縮且符合Boussinesq假設；
2．流動為穩(wěn)態(tài)紊流；
3．忽略固體壁面間的熱輻射；
4．車室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)；
5．空調(diào)車室密封性能好，沒有空氣泄漏。
則空調(diào)車室內(nèi)空氣的三維流動與傳熱的微分方程包括：連續(xù)方程、動能方程、能量方程和K-∈方程。空調(diào)車室內(nèi)空氣的三維流動與傳熱的微分方程為：
靠近壁面粘性支層內(nèi)，流動和換熱計算采用壁面函數(shù)法，靠近壁面不劃分網(wǎng)格，把第一個與壁面相鄰的節(jié)點布置在旺盛湍流區(qū)域內(nèi)。
三、邊界條件
式中I—太陽輻射強度
a—對流熱換系數(shù)
車頂及車兩側壁面、車室地板、前后擋風玻璃、儀表板等固定壁面而取無滑移邊界條件。其余邊界取流線不穿透條件。
（4）熱源邊界：利用MonteCarlo方法計算車室內(nèi)壁面由太陽輻射引起的附加源項。MonteCarlo方法應用于輻射傳遞的計算不僅可以避免復雜的數(shù)學運算，而且非常適用于計算非理想、非均勻、結構繁雜的空間輻射表面之間的輻射傳遞。模擬空調(diào)車室內(nèi)太陽照射輻射傳遞過程時，認為車室內(nèi)空氣是輻射的透明介質(zhì)，且不考慮車室內(nèi)各表面的發(fā)射熱輻射，各表面的溫度恒定且吸收率保持不變，物性均勻，除玻璃窗之外車室內(nèi)其余各表面均視為漫射灰表面。
（5）在模型內(nèi)邊界，即流體（空氣）與非流體（固體區(qū)域）交界面，不能施加熱流密度和對流邊界條件，因為在這交界面的參數(shù)是未知的，是正需要求解的。因此氣固交界面上流體流動符合無滑移條件即ui=0，固體壁面溫度按絕熱條件計算。
四、數(shù)值計算方法
由于車廂體和座椅等的形狀復雜，所以有許多復雜的區(qū)域及其邊界不可能與現(xiàn)有的各種坐標正好相符，故采用貼體坐標系對車室結構進行離散，三維網(wǎng)格總數(shù)為286546。如圖2所示。
采用有限單元法和交錯網(wǎng)格離散控制微分方程，應用SIMPLEF算法求解離散方程：
（1）采用二階迎風差分格式，將擴散項和對流項的影響系數(shù)分離開來，使方程絕對穩(wěn)定；
（2）把相鄰節(jié)點的影響系數(shù)表示成對流分量與擴散分量之和，將對流部分歸并入源項。
（3）對速度、壓力項的求解采用TDMA法，以使各項迭代收斂。
五、結果分析
本文對微型電動車空調(diào)車室內(nèi)的三維空氣流場與溫度場進行數(shù)值計算，獲得的結果比較理想。圖3和圖5為Z=0.5平面內(nèi)的速度場分布圖，圖3為回風口前置方式，圖5為回風口后置方式。圖4和圖6為Z=0.5平面內(nèi)的溫度場分布圖，圖4為回風口前置方式，圖6為回風口后置方式。
回風口的布置方式對室內(nèi)速度場和溫度場的分布產(chǎn)生影響。從圖中可以看出，空調(diào)車室內(nèi)上部區(qū)域流速較大，下部區(qū)域流速較小，溫度較高，能滿足空調(diào)設計的“頭涼腳暖”的舒適性設計要求。298K等溫區(qū)很寬廣，符合空調(diào)的調(diào)節(jié)技術要求。方案一的298K等溫區(qū)在前排乘員處更加寬廣，而且方案一的298.4在方案二中上升為298.8K，可見方案一的空調(diào)效果更好些。在靠近送風口處射流比較集中，前排人員所在空間空氣流速不均勻，且大部分區(qū)域流速比較低，而在后排射流發(fā)生擴散，帶動空氣流動，在障礙阻礙下形成渦流。
六、結束語
空調(diào)車室內(nèi)的速度場和溫度場研究是空調(diào)車室內(nèi)氣流組織設計及車室內(nèi)舒適環(huán)境評價和研究的基礎。對空調(diào)車室內(nèi)空氣流動傳熱的數(shù)值分析，既可以預測速度場和溫度場的分布情況，又可以節(jié)省人力、物力和財力。本文對不同的回風口布置方式的微型電動車車室內(nèi)三維空氣流場與溫度場進行模擬，結果表明，回風口布置在汽車前端的效果比較好。為電動車空調(diào)車室內(nèi)氣流組織的優(yōu)化設計和車室內(nèi)舒適環(huán)境的評價與研究提供了依據(jù)。
（轉載）
