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公交車空調風道和風口的改善設計研究

時間:2020-03-16 來源:吉林大學 作者:張憲 本文字數:7932字
  摘 要
  
  公交客車空調風道結構優化設計
  
  近年來,隨著城市公交的興起與迅猛發展,公共交通運營車量的數量不斷增加。而由于公交客車的空調通風管道的結構、出風口布局等的過于簡單甚至不合理的設計,在國內的空調公交客車中普遍存在空調出風口冷熱分布不均勻等問題,車內前后溫差通常會高達 5 攝氏度以上,影響車內駕乘人員的乘坐舒適性。且由于客車乘員艙內前后部乘客乘坐密度不均勻分布,對冷卻氣流風量的需求不同。為此,本文以某國產公交客車為研究對象,以流體仿真軟件 STAR-CCM+為工具,通過仿真獲取該公交客車內部流場與溫度場分布情況,以乘客周圍的溫度與乘客舒適性為評價指標,對該車型的空調風道和風口等優化及乘客熱舒適性的改進手段進行研究。

公交車空調風道和風口的改善設計研究
  
  首先闡述了客車空調風道優化設計研究的背景和研究意義、研究的必要性,以及國內外的研究現狀和當前研究的不足;然后介紹了流體仿真的理論基礎,CFD 仿真的流程,介紹了傳熱學相關的理論基礎;討論了公交客車在進行車內流場及溫度場仿真時,對于物理模型的選擇及車身不同部分的邊界條件的設置,以及面網格的劃分和體網格方案等;介紹了太陽輻射模型和人體溫度調節模型的原理與設置;最后針對送風溫度 15 攝氏度,送風總流量為 1kg/s 的基礎工況,對公交客車的內部流場和溫度分布進行分析,研究表明主要問題在于車內乘客周圍溫度分布不均勻;诹鲌龇治龊蜏囟葓鲅芯,最終確定空調優化的整體方向為送風口位置和風道結構的優化。針對空調的風量和送風溫度對車內溫度場分布的影響設計了不同工況,由于空調送風口靠近乘員艙前部,由于距離后部較遠,空調風道流動阻力的影響使得后部乘客送風口的冷卻氣流風量要小于前部。但后部乘客多于前部,即熱源較多,因此溫度較高,展現出艙內縱向的溫度不均勻問題,后部需要更多的冷卻氣流,表明空調送風口位置與艙內實際溫度集中處存在差異,是優化的重點所在。且根據橫向的溫度場分布,由與缺少斜向出風口,使得乘員艙內橫向溫度場不均勻。最后結合乘客頭頂的溫度分布,由于在空調總送風量 1.2kg/s,送風溫度為 15℃的工況下,前部和中部的大部分乘客基本接近人體舒適溫度,最終確定在此基礎工況下對空調送風口、風道進行位置和結構的優化,為空調送風口和送風溫度的優化研究提供了基礎。針對后部乘員艙人數較多,冷卻氣流不足的主要問題。在基礎工況的基礎上,分別采用對后排增加乘客送風口、風道內添加導流板、去除風道內的加強筋等方案,為解決艙內橫向的溫度不均勻問題,在乘員艙后部增加了斜向的乘客送風口,提高了溫度均勻性,改善了乘坐舒適性。
  
  關鍵詞:  公交客車,乘員艙,空調管道,結構優化,熱舒適性。
  
  Abstract
  
  Structure Optimization and Design of Bus Air Conditioning Duct
  
  In recent years, with the rise and rapid development of urban public transport, the number of public transport operators has increased. Because the structure of the air-conditioning ventilation duct and the layout of the air outlet are too simple or unreasonable, there are problems such as uneven distribution of air-conditioning outlets in the air-conditioned bus passengers in China. The temperature difference between the front and the rear of the vehicle is usually higher than 5 degrees Celsius. Affect the ride comfort of the occupants in the car. Due to the uneven distribution of passenger density in the front and rear passenger compartments of passenger cars, the demand for cooling airflow isdifferent. To this end, this paper takes a domestic bus as the research object, and uses the fluid simulation software STAR-CCM+ as a tool to obtain the internal flow field and temperature field distribution of the bus by simulation, taking the temperature around the passenger and passenger comfort as the evaluation index. The optimization of the air conditioning duct and outlet of the model and the improvement of passenger thermal comfort were studied.
  
  Firstly, the background and research significance of the research on the optimization design of air conditioning ducts for passenger cars, the necessity of research, the research history, current situation and current research shortages of scholars and experts at home and abroad are expounded. Then the theoretical basis of fluid simulation and CFD simulation are introduced. The process introduces the theoretical basis of heat transfer; discusses the selection of physical models and the setting of boundary conditions for different parts of the body, and the division of the surface mesh when the bus and the temperature field are simulated. The body mesh scheme, etc.; introduces the principle and setting of the solar radiation model and the human body temperature regulation model; finally, the basic working condition of the air supply temperature of 15 degrees Celsius, the total air supply flow rate is 1kg/s, and the internal flow field of the bus Analysis of the temperature distribution revealed that the main contradiction was that the temperature distribution around the passengers in the car was uneven. After investigation, it is finally determined that the overall direction of air conditioning optimization is the optimization of the air outlet position and the air duct. According to the influence of the air volume and the air supply temperature on the temperature field distribution in the vehicle, different working conditions are designed. Since the air conditioning air outlet is close to the front of the passenger compartment, due to the far distance from the rear, the air traffic duct flow resistance affects the rear passenger. The cooling airflow of the air supply port is smaller than the front. And the rear passengers themselves are more in number than the front, that is, there are more heat sources, so the temperature is higher, showing the problem of longitudinal temperature unevenness in the cabin, and more cooling airflow is needed in the rear, which is the key point of optimization. According to the lateral temperature field distribution, the lateral temperature field in the passenger compartment is not uniform due to the lack of oblique air outlets. Finally, combined with the temperature distribution of the passenger's head, due to the total air supply volume of the air conditioner of 1.2kg / s, thesupply air temperature of 15 °C, most of the passengers in the front and middle are basically close to the human body comfort temperature, and finally determined on this basis The optimization of the position and structure of the air supply vents and air ducts under working conditions provides a basis for the optimization of air conditioning vents and air supply temperatures. The main problem is that there are more people in the rear passenger compartment and insufficient cooling airflow. On the basis of the basic working conditions,the scheme of increasing the passenger air supply port in the rear row, adding the reverse flow plate in the air duct, and removing the reinforcing ribs in the air duct respectively is adopted to solve the problem of temperature unevenness in the lateral direction of the cabin,and increase in the rear part of the passenger compartment. The diagonal passenger air vents improve temperature uniformity and improve ride comfort.
  
  Keywords:    Bus, Passenger Cabin, HVAC Duct, Structure Optimization, Thermal Comfort。
  
  第 1 章 緒論
 
  
  1.1 研究背景及意義。

  
  隨著汽車技術的不斷發展,在客車振動噪聲和行駛平順性已經得到極大優化的背景下,客車的乘坐舒適性已經成為客車性能評價的一項重要指標。隨著居民生活質量要求與生活水平的提升,人們對于出行的體驗感要求也逐漸變高。而作為城市交通的主力軍,城市公交客車的乘坐舒適性在影響人們出行體驗感和心情的同時,更加影響著乘客的身體健康。
  
  據相關統計顯示,截止到 2014 年,我國城市公共交通運營線路的總長度達 62.01萬公里,公共交通運營車輛數量達 47.63 萬輛,城市公共交通客運總量達 849.50 億人次。而且城市公交近年來發展迅猛,總量每年都以 3%左右的速度上升,到 2021 年我國城市公交運營車輛預計將接近 56 萬輛。由于近年來城市交通對空調公交客車的需求量逐年快速增加,而相應的對客車空調的研究不足,導致現有的城市公交客車的空調普遍存在結構設計不合理等問題。
  
  首先,風口位置布置不合理。大多數公交車的空調回風口選擇布置在車頂中間,而由于出風口也大多布置在車頂兩側,使得回風口與距離其較近的出風口之間發生氣流短路。這樣出風口的制冷或制熱氣流未經過乘員艙內有乘客的區域而直接回流到空調內,會影響空調的工作效率,進而增加了正常的能耗。同樣,排風口的布置存在相似的問題,當前多數客車的排風口也布置于車頂,靠近出風口,這樣就使得制冷或制熱的氣流未經過乘員艙下方就已經排除車內,大大降低了空調的效果。
  
  其次,風量分配不合理,由于目前客車空調多采用等截面的出風口,空調一般布置在車身前后方向的中間,乘員艙內靠近車頭和車尾的部分由于距離空調較遠,風道的壓力損失較高,造成空調風量分配的不均勻。但在夏季制冷工況下,由于車尾部的乘客距離發動機艙較近,且后側乘客較多且密集,需要更多的風量來制冷,因此單一的出風口設計已經不滿足公交客車艙內溫度分布的實際需求。
  
  通過以上的敘述,顯然由于空調風口位置布置不合理、風量分配單一等問題導致的車內空氣質量下降、溫度分布不均勻引起乘客乘坐環境不舒適、空調工作效率低進而增加能耗等一系列問題,不僅影響了乘客或消費者對公交客車性能的評價,更加影響了乘客的身心健康和汽車的能源消耗。
  
  且由于在試驗中對空調系統進行改型或結構改造存在成本較高、過程復雜、優化時間長等問題,而通過流體仿真軟件可以快速的對客車乘員艙內的基本流場和溫度場分布進行預測,分析空調結構設計的不合理性。進而根據分析結果,提出改進方案,以優化流場和溫度場分布,提高空調工作效率、降低能耗,改善乘員艙內的乘坐環境和乘坐舒適性,為客車空調設計提供參考,因此具有重要意義。
  
  1.2 國外研究現狀。
  
  國外采用 CFD 仿真等對汽車空調系統管道流場和溫度場進行仿真,分析乘員熱舒適性,并進行空調風道結構等優化起步較早,研究相對系統、完善。起亞汽車公司的Min-Ho Kim,對某中型客車的兩個簡化空調風管進行了數值模擬。采用三維納維-斯托克斯方程,根據截面風道面積和擴壓器面積的變化,對各擴壓器的整體壓力、速度場等進行了計算。此外,建立了一個基于伯努利方程的一維程序,得到了平衡各出口流量所需的最優擴散器面積。并將實驗測量和 CFD 模擬結果進行了比較。實驗分析證實,按照優化設計建造的風管在各出口均能產生均勻分布的流量,在正負 9%范圍內。
  
  其開發的簡單方便的一維分析技術可作為空調風管設計的實用工具。
  
  計算流體力學(CFD)是一門綜合數值理論與流體力學的新興學科,旨在借助計算機技術,通過數值離散的方法將時間和空間上連續的物理場等效為有限數量的離散變量值的組合,以特定原理或方法為依據,構建能表征離散點上各變量之間關系的控制方程,最后通過方程組的求解,得到物理場的近似結果,為流體流動、熱量傳遞等物理現象的分析提供借鑒和參考(王福軍.計算流體動力學分析-CFD 軟件原理及應用[M].清華大學出版社,2004.)。維斯瓦拉亞國家理工學院機械工程系的 Sanjay K.
  
  試圖通過對 CFD 在以空氣為工作流體的管道和太陽能空氣加熱器流動分析中進行詳細的分析。通過 CFD 分析得到的結果表明,計算結果與實驗結果吻合較好,這為類似的研究提供了一個用于預測傳熱和流體流動過程的行為和性能的工具。模型建立、網格劃分和合適湍流模型的選擇在 CFD 分析中起著重要作用。
  
  1.3  國內研究現狀。
  
  對于空調系統的開發,過去國內大多數汽車企業當主要是靠試驗手段來進行,而由于公交客車的體積較大,合適的試驗環境艙國內資源較為缺乏,因此空調的降溫測試一般只能選擇在夏季進行,因此通過試驗手段開發空調的降溫性能仍具有很大的局限性。由于試驗手段研究的局限性,通過仿真解決當前公交客車上普遍存在的空調功率匹配不當、出風口位置及出風角度不合理、風道設計不合理以及乘員艙內風量分配不均勻等問題,仍然離不開內流場與溫度場的仿真。近年來,隨著數值仿真方法和湍流模型的逐步完善以及高性能計算機解決大型算例運算能力的逐步提高,在仿真精度提高的同時,汽車熱舒適性的開發逐步實現流程化和簡單化。因此,通過仿真實現客車空調風道的設計已經成為車型開發流程中主要的研究手段,可以大大縮減開發周期,節約研發成本。
  
  南京理工大學謝青松[60],針對公交車空調風道中存在的氣流組織不合理、空調風道設計的問題采用數值模擬與理論計算結合的方式,分析了空調風道及其氣流組織等特性,并提出了相應的優化措施。首先,其在理論計算方面,針對夏季制冷工況下的冷負荷和風量進行了計算,參考室內舒適性設計參數,根據自由射流理論計算除了空調送風參數。在數值仿真中,利用三維建模建立了空調改型前后的 CFD 幾何模型,并在 FLUENT 中利用標準 k-ε湍流模型對空調風道及乘員艙內流場進行仿真分析,得到車內的流場分布,并提出優化。改進后使得車內的氣流組織方式更加合理,避免了氣流短路問題,減少了能量消耗,改善了乘坐舒適性。湖南大學谷正氣[32]
  
  等人,針對某一乘用車型同樣利用流體軟件 FLUENT 對空調風道的內流場進行數值仿真,通過對標試驗,得出車內駕駛員側的空調出風口的風量偏小,即駕駛員位置的乘坐熱舒適性較差。為了改進設計,在空調風道內合適的位置添加導流板,把導流板的尺寸作為響應面方法的設計變量,設計目標設定為駕駛員一側的出風量與空調總的風量的比值,并進行尋優設計。最終改進后使得車內空調在駕駛員側的出風量比例提高了 4.6%,駕駛員的熱舒適性得到大幅改善;吉林大學南曉峰[14],以宇通客車某款 12 米公路空調客車作為研究對象,采用可實現 k-ε湍流模型,以及 SIMPLE 算法對車室內流場、溫度場進行數值模擬。其中使用的邊界條件等數據均來源于實車的測試,幾何模型與實物一致。并通過實驗結果驗證了 CFD 仿真結果的準確性及仿真方法的可行性。后結合工程中經常遇到的問題,分別研究了空調風道的截面、空調的位置、風道中的導流板、出風口的布置等等因素對車內氣流的均勻性和溫度場分布的影響。北京交通大學劉奕江[47],使用 Airpak 軟件對某高速列車進行建模,在計算車廂內的空氣速度場、溫度場分布時,在仿真算例中簡單涉及了太陽輻射和人體散射。然后計算出車廂內人體每個部位的 PMV 值,分析了人體不同部位對車內溫度分布的影響,考量乘客熱舒適性。華南理工大學吳志武[44],采用流體仿真軟件 FLUENT 針對某款皮卡車內的熱舒適性進行研究。采用 RNG k-ε湍流模型和 S2S 熱輻射模型對皮卡車室內的流場進行數值模擬。并采用后處理軟件 Tecplot 對仿真結果中速度場進行可視化處理和流場特性分析。最后,采用 PMV 等指標評價了車內乘員的熱舒適性。
  
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  1.4 本文研究的主要內容
  
  第 2 章 內流場數值模擬與傳熱學理論
  
  2.1 流場仿真理論
  2.1.1 仿真流程
  2.1.2 流體力學控制方程
  2.1.3 湍流模型
  2.2 傳熱學理論
  2.2.1 熱輻射
  2.2.2 熱對流
  2.2.3 熱傳導
  2.3 人體溫度調節
  2.4 本章小節
  
  第 3 章 公交客車基礎模型搭建及流場仿真分析
  
  3.1 公交客車模型
  3.1.1 客車幾何模型
  3.1.2 拓撲搭建與網格劃分
  3.2 基礎模型仿真
  3.2.1 邊界條件與物理模型設置
  3.2.2 太陽輻射模型
  3.2.3 人體溫度調節模型
  3.2.4 基礎工況分析
  3.4 本章小結
  
  第 4 章 送風溫度與風量匹配
  
  4.1 不同送風溫度的結果分析
  4.2 不同送風量的結果分析
  4.3 本章小結
  
  第 5 章 空調的優化設計
  

  5.1 風口優化設計
  5.1.1 風口間距優化
  5.1.2 風口出風角度優化
  5.1.3 風口組合方案
  5.2 風道優化設計
  5.2.1 加強筋加蓋板
  5.2.2 風道內添加導流板
  5.3 本章小結

  第 6 章 總結

  本文結合國內城市公交客車空調普遍存在的乘員艙內溫度均勻性差問題,經過對選取的公交客車基礎模型的幾何清理、網格劃分及計算流體力學仿真等工作,分析客車乘員艙內的流場和溫度場分布。研究結果表明該公交車確實存在的空調風量分配不合理、溫度場分布不均等問題。并結合流場分析,對空調原有的風口位置、風道結構等進行了優化和再設計。最終改進的各個方案均改善了乘員艙內的流動和溫度場分布,提高了客車的乘坐舒適性,對公交客車的氣流組織和空調設計具有參考意義。

  首先,闡述了客車空調風道優化設計研究的背景和研究意義,說明了研究的必要性。并介紹了國內外學者、工程師等對空調結構設計優化的研究現狀,以及當前已有研究的不足之處,最后介紹了本文研究的主要內容。

  其次,介紹了流體仿真的理論基礎,包括從幾何建模到進行 CFD 仿真的整個流程,及質量守恒、能量守恒、動量守恒的三大方程,和模擬湍流流動所必須的湍流模型的分類。然后在此基礎上,介紹了傳熱學相關的理論基礎,包括熱傳導、熱對流和熱輻射客車實際運行中熱場相關的三個傳熱物理現象。最后介紹了人體體溫的自動調節功能,考慮的人體的代謝率、蒸發等對人體和車內溫度的影響。

  再次,介紹了公交客車在進行車內流場及溫度場仿真時,對于物理模型的選擇及車身不同部分的邊界條件的設置,以及面網格的劃分和體網格方案等;其次講述了太陽輻射模型和人體溫度調節模型的原理與設置;最后針對送風溫度 15 攝氏度,送風總流量為 1kg/s 的基礎工況,對公交客車的內流場和溫度分布進行分析,發現主要矛盾為車內乘客周圍溫度分布不均勻。經過研究和分析,最終確定空調優化的整體方向為送風口位置和風道結構的優化。

  接下來,針對空調的風量和送風溫度對車內溫度場分布的影響設計了不同工況,由于空調送風口靠近乘員艙前部,由于距離后部較遠,空調風道流動阻力的影響使得后部乘客送風口的冷卻氣流風量要小于前部。且后部乘客本身在數量上多于前部,即熱源較多,因此溫度較高,從而導致艙內縱向的溫度分布不均勻,乘員艙后部需要更多的冷卻氣流,是優化的重點。且根據橫向的溫度場分布,由于缺少斜向出風口,使得乘員艙內橫向溫度場均勻性較差。最后結合乘客頭頂的溫度分布,由于在空調總送風量 1.2kg/s,送風溫度為 15℃的工況下,前部和中部的大部分乘客基本接近人體舒適溫度,最終確定在此基礎工況下對空調送風口、風道進行位置和結構的優化,為空調送風口和送風溫度的優化研究提供了基礎。

  最后,針對后部乘員艙人數較多,冷卻氣流不足的主要問題。在基礎工況的基礎上,分別采用對后排增加乘客送風口、風道內添加導流板、去除風道內的加強筋等方案,為解決艙內橫向的溫度不均勻問題,在乘員艙后部增加了斜向的乘客送風口,提高了溫度均勻性,改善了乘坐舒適性。

  參考文獻

    張憲. 公交客車空調風道結構優化設計[D].吉林大學,2019.
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