英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
利用计算流体力学评估空调公交座舱舒适度
摘要
本文研究目标是利用计算流体力学（CFD）对城市空调（AC）公交座舱环境控制进行总体评估，并进行优化研究。所有客车制造商都必须重视为乘客提供舒适的体验，但只通过测试就想得出详细的评估是很难的，并且在汽车发展过程中这也是不可能做到的。随着人们的旅行需求和改善乘客体验的迫切度不断增加，以测试为辅的CFD评估法在评定客舱舒适性时起到了重要作用。研究的重点是评估自由风通风口和车顶通风口的尺寸、形状和数量对座舱内空气流动分布的影响。
用市售的CFD代码、FLUENTreg;软件包进行数值模拟，用可实现的k-ε雷诺兹平均Navier-Stokes方程模型来模拟湍流。通过比较数值模拟气流结果与测试结果来评估实验的可靠性。使用定性参数，如空气龄（AOA）、宽带噪声模型和人体热舒适模块（PMV / PPD）更深入地分析这个问题。该研究结果对于设计公共交通运输车辆的通风系统具有较大参考价值，有助于实现空调公交乘客舒适度和节能之间的平衡。
简介
如今暖通空调系统性能评估广泛使用CFD，大量文献可以找到对于轿车暖通空调系统性能的评估和验证，但对于公交暖通空调系统性能的研究却是有限的。公交不像轿车，它体积大，单位面积人员密度大，并且由于公交有负载周期，其通风系统寿命也随之变化[1]。这使得开发一个高效的空气分配系统变得极具挑战性。对于公交来说，良好的通风系统很重要，因为它们作为大众运输工具广泛投入使用。良好的通风系统不仅仅考量座舱空气进出量，一般情况下，它必须具有以下几个步骤：
bull; 预处理：指过滤和调节空气
bull; 传输：有效将经调节空气传输进舱内，优化舱内污染空气的清除，改善室内热环境
bull; 后处理：舱内空气高效排放口（其一部分可以用于混合新鲜空气，并将其重新引入到系统中——再循环模式）
用来实现通风的两个主要途径是自然手段和机械手段。自然通风采用热梯度和压力差来造成并引导流动，然而，机械通风使用供电设备，如风扇，鼓风机来造成并保持适当通风要求的流量。公交车通风的方法通常采用机械手段，车顶安装暖通空调机组，通过车顶通风口将经调节空气输送给乘客和驾驶员座舱。回风口通常位于车顶，大部分舱内空气在那里进行再循环及混合新鲜空气。
本研究希望相对于多数用管道入口所给特定质量流进行模拟并详细研究具体课题之一的文献，能获得对HVAC系统的完整模型的整体认知，研究试图突出如气流分布、空气龄、噪音和热舒适等因素的重要性，这些在设计和优化空气输送系统时都需要考虑。
数值模拟
型号说明
如图1所研究公交是一个市内公交（基线）。车顶HVAC机组包括左右各4个鼓风机的蒸发器，如表1所示。
表1. 所研究公交型号细节
|
左右鼓风机 |
各4个（即共8个） |
|
鼓风机每分钟转数 |
4000 |
|
乘客数 |
27 2（驾驶员和副驾驶员） |
|
自由风通风口 |
105（左48；右57） |
|
可调节通风口 |
31 |
图1. 座舱模型细节图
空调管道注解
可调节通风口
自由风通风口
图2. 乘客可调节通风口位置
典型公交AC管道在乘客座位上方沿着车长运转，通常有两种类型的通风口排气到管道，如图2：
1.可调节通风口：放置在每位乘客头顶以满足他/她的个人需求和舒适的偏好，驾驶室也有这种通风口。
2.自由风通风口：沿着管长有针对性地放置，以提供连续空气供应在所有可调节通风口关闭时保持座舱内有效呼吸质量。公交中部回风口附近不设自由风通风口以避免空气短路。
测试方法
基线原型管道出口的空气流量测量均在以下条件下进行，如图3：
1.车辆状况：停放在阴凉处（没有太阳能负荷），发动机处于怠速；
2.环境：35℃干球温度（DBT）和40％相对湿度；
3.HVAC控制：空调关闭，鼓风机转速最大，100％循环模式并全开所有通风口。
图3. 测试过程中流量测量方法
叶式风速计测量在可调节通风口进行，为了实现风速稳流，使用与风速计直径相同、长度约等于2.5倍风速计直径的管道（圆柱形外壳）。所有读数设置为同一个，测量中监测空调系统的电压和电流消耗以确认所有的鼓风机都按所要求的速度运行。管道和通风口的漏气量以泡沫和胶带手段消除。
叶式风速计参照主设备校准，A型不确定性基于从5个不同速度获得的5个读数进行计算，即五组读数分别对应五个速度；B型不确定性包括主装置校准不确定度和需考虑的设备（假设矩形分布）分辨率。除了设备指定精度的不确定性，净标准不确定性近似恒定0.0412米/秒。要计算各个通风口读数的不确定性，则必须要计算设备（假设矩形分布）指定精度的不确定性并用它来实现净总不确定性。
数值模拟
用市售的CFD代码、FLUENTreg;软件包进行稳态数值模拟，对质量守恒，动量和能量的控制方程进行求解，用可实现的k-ε雷诺兹平均Navier-Stokes方程模型来模拟湍流。选择这种特殊的湍流模型是考虑到精度和计算资源，该模型可以准确预测圆形传输孔和矩形通风口[2]，采用SIMPLE算法实现压力速度耦合。采用多参考坐标系技术建立鼓风机模型，大致假定参考旋转坐标系中沿风机旋转轴运动的非定常流，使用格林·高斯的节点离散解决二阶精度参数。
对静止状态的公交进行100％再循环模式模拟。虽然100％再循环并不是一个理想情况，但对这种特殊情况进行模拟和测试可以避免环境空气流量的干扰。信等人已对新鲜空气出入口位置的详细考虑进行了研究[3]。实际驾驶条件下，驾乘人员至少需要吸入20％的新鲜空气才能保持呼吸空气质量[4]，可以通过使用控制瓣来实现新鲜空气的吸入。假定舱内空气为常数，主要强制通风模式下不考虑浮力的效应。
模拟也不考虑太阳辐射。一般情况下车窗有窗帘，乘客可以根据自身需求选择打开/关闭。康塞桑等人[5]做了关于透过带窗帘车窗的太阳辐射对乘客舒适度的影响的相关研究。考虑到太阳辐射，就必须考虑到公交车和太阳的相对方位。由于车辆配备可调节通风口，并且乘客可以控制流量以及这些通风口的方向，评估舒适水平需要大量计算研究。一些有待研究的情况将包括：乘客受太阳能热负荷影响流量改变最大、乘客不受太阳能热负荷和窗帘开闭影响流量改变较小，这些情况超出了研究范围。
评价人体热舒适时作出以下假设：
1.人体以两种主要形式散热，显热和潜热。显热感知人体热舒适，因此测试只考虑显热，假设每位乘客80W显热在身上均匀分布。
2.整个公交座舱相对湿度均匀且等于40％环境相对湿度。
3.目前研究不考虑太阳辐射，根据车身和窗户的材料性能假定座舱外部辐射温度为45℃。
单独研究通风口网眼后，模型包含的4500-5500万个细胞足以获得这项研究的可靠结果，鼓风机和管道通风口附近细胞生长势态良好。
实例探究
案例1
案例1研究了自由风通风口大小、形状和数量的影响，相比于基线模型考虑的圆形自由风通风口，需要考虑带有增加面积的矩形自由风通风口，如图4。
图4. 案例1考虑的矩形自由风通风口
案例2
案例2是对于所有可调节通风口关闭的基线的进一步研究。通过自由风通风口流量递增可忽略不计。对于可接受流动通风率、平均空气龄和热舒适性，案例2都表现不佳，因此，案例2所取得的结果没有在本文后续部分进行描述。
案例3
案例3是案例1中所有可调节通风口关闭，只有自由风通风口打开的情况的进一步研究。
平均空气龄
对于通风系统效率的定性评价，要考虑其他参数。其中一个考虑的参数之一是空气平均龄（AOA）。某一点的空气平均龄就是气体从入口到达那一点花费的平均时间，可以求解浓度方程（式1）后获得，如[6，7，8]所用。
其中u，v和w是空间流量，空气密度rho;，sigma;l 和sigma;t是层流和湍流施密特数，mu;和mu;t是分子和湍流粘度，theta;是平均空气龄。Stheta;作为方程的源项应等于空气密度[8]。
流场计算完成后，求解标量方程来评估平均空气龄，要计算通风口平均空气龄，必须先将它设置为0秒。它的主要目的是计算空气从导管进入座舱后逗留的平均时间。
虽然平均空气龄对空气质量进行了定性评估，但这种评估易受流量变化影响。因此，为了评估由于通风孔位置和大小导致的通风效率的变化，我们采用平均空气龄的非维形形式（式2）[7]，这一形式独立于流量。
其中V是控制量，Q是体积流量，theta;和分别是平均空气龄和非维平均空气龄。
声学
声学在座舱舒适性感知中起着重要作用。产生的座舱噪音主要是操作期间结构振动和空气流动引起的声音。
利用CFD可以有针对性地优化流动引起的声音，以提高可感知的舒适度。产生的任何声音都可认为是为噪声，仅基于所产生声音的频率而有所不同。为了捕捉频率的声功率级，必须进行瞬态可压缩流动模拟，这些模拟可以利用庞大的计算资源。幸运的是，HVAC产生的声音通常是宽频，占有相当大跨度的频率范围。因此，要想评估空调管道和通风口的噪声，我们使用宽带噪声源（BNS）[2]模型。该BNS模型相对简单，可以预测稳定状态下不可压缩流体计算的噪声功率级。
普劳德曼[9]给出一个按量计算各向同性紊流声功率级的等式，这个等式由利利[10]将其重新给出（式3），解释了延迟时间差。
其中u和l均为湍流量度和长度范围，alpha;是模型常数，其值取0.1 [2]。 rho;和ao分别是空气密度和音速，PA是声功率级。湍流量度和长度范围的k和ε被代替后，式3可以重写为式4：
虽然这个公式给出湍流的声级，但由于固体上紊流边界的层流，它不考虑声音的影响。 柯尔[11]考虑了固体边界对空气动力噪音的效果来评估表面声功率级（等式5）。
其中，每单位表面积的声音强度由等式（6）给出。
其中Ac()为相关域,表面压力和时间分别由p和t表示。
热舒适
深入了解热舒适，通常情况下可调节通风口全封闭，这是最有可能的情况，目的是比较评估基线和优化案例之间的提高。想要获得设计优化方向，就要研究这种特定的情况，可以设置一个更复杂先进的热箱，但它对于考虑目标价值不大。
使用两个主要参数、预测平均投票（PMV）和预期不满意百分率（PPD）评估热舒适。范格[12]给出了热舒适性方程。尼尔森[13]给出了有关热舒适模型及其解释的详细信息。ASHRAE 55-2010标准和ISO 7730标准给出了标准[14-15]。热舒适主要由空气温度、空气流量、平均辐射温度、气压强、衣物阻力和代谢速率这六个参数和外部因素共同支配。这六个参数中，空气温度、空气流量和平均辐射温度的CFD流场模拟结果被采用。假定剩余参数值在域中恒定。
1. 预测平均投票数（PMV）
PMV（等式7）描述了基于热平衡的人体热感，用-3至3的7点量表表示，如图5所示。0值表示大多数的乘客感到舒适的中性点。
适度热
微热
很热
中性
微冷
适度冷
很冷
图5. PMV范围及其解释
其中，
此处M是代谢发热率，W是所做的外功，ta、、tcl分别是周围空气温度、平均辐射温度以及衣物温度。Pa是环境蒸汽压，hc是对流换热率，fcl是服装面积系数。
2. 预期不满意百分率（PPD）
PPD（式9）描述感觉不满的乘客比例，如图6。PPD值范围为5％（总是感到不满的乘客的最低百分比）至100％。
图6. PPD作为PMV值的函数
根据ASHRAE标准55-2010 [14]，PMV可接受的值是-0.5〜0.5并且PPDlt;= 10％。
模拟的衣物阻力假定为0.6衣物单位，即夏季衣物典型值，代谢产热率为1，外部影响为0。计算PMV和PPD时，假定空气相对湿度为40％。冷却试验期间，管道出口的空气温度沿着进气管管长测量为18plusmn;2℃。因此，模拟假定自由风通风口空气温度为18℃。
结果讨论
相关测试
用叶式风速计测量可调节通风口排气速度，从而得出空气流量。比较数值模拟算出的体积流量与测试计算出的体积流量，如图7和8所示。测量不确定度的计算基于测试方法部分的讨论，用两个覆盖因子计算图7和8所示（用误差条表示）所测量不确定性的上界和下界，即95％的置信水平。
相关测试与CFD法检测右侧送气通道结果
图7. 数值模拟预测的体积流量与座舱右侧可调节通风口流量测试获得的测量结果的比较
相关测试与CFD法检测右侧窗户结果
图8. 数值模拟预测的体积流量与座舱右侧窗户流量测试获得的测量结果的比较
考虑到近似值，
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[147328]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
