客車乘員艙復(fù)雜結(jié)構(gòu)綜合導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

    乘坐和駕駛汽車已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯闹匾M成部分，因此用戶對(duì)汽車乘員艙內(nèi)熱舒適性的要求也越來越高。而乘員艙內(nèi)及艙體結(jié)構(gòu)和材料十分復(fù)雜，如果不對(duì)乘員艙內(nèi)熱環(huán)境的氣流進(jìn)行合理的組織，溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布不合理造成艙內(nèi)溫度分布不均勻，引起部分乘員的不舒適。而其中溫度場(chǎng)分析，是評(píng)價(jià)熱舒適性、空調(diào)性能和除霜除霧效果重要指標(biāo)。相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量艙內(nèi)點(diǎn)溫度分布，數(shù)值仿真能夠獲得艙內(nèi)各區(qū)域的溫度分布，有著極大優(yōu)勢(shì)。但由于汽車自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜以及艙內(nèi)外多種換熱形式，使得汽車熱分析過程中，熱負(fù)荷的準(zhǔn)確計(jì)算極為重要。通常計(jì)算人員是通過一系列簡(jiǎn)化后再進(jìn)行計(jì)算。

    目前，在汽車熱邊界條件處理方面，車身各部分均按多層均勻平壁傳熱考慮。這樣的簡(jiǎn)化處理存在一些問題。汽車車身壁面除門窗玻璃以外，一般由外板、隔熱層、內(nèi)飾板組成。在這些固體層中，熱量傳遞是靠導(dǎo)熱。但是由于車身壁面中存在空氣層，即氣隙。而在氣隙內(nèi)則同時(shí)存在著導(dǎo)熱、輻射換熱和對(duì)流換熱現(xiàn)象。而車身內(nèi)外表面又分別存在對(duì)流換熱。所以只是簡(jiǎn)單地按多層均勻平壁傳熱來考慮，不夠準(zhǔn)確。

    本文對(duì)車室內(nèi)熱負(fù)荷的計(jì)算和乘員艙熱平衡模型的建立進(jìn)行嘗試。將車體按照結(jié)構(gòu)與傳熱性質(zhì)分成多個(gè)部分，針對(duì)熱環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的分析簡(jiǎn)化。提出綜合導(dǎo)熱系數(shù)確定方法，計(jì)算出車體綜合傳熱過程的傳熱量，推導(dǎo)得出導(dǎo)熱系數(shù)，從而作為邊界條件加載于壁面。通過數(shù)值分析與計(jì)算結(jié)果對(duì)比證明綜合導(dǎo)熱系數(shù)能夠滿足計(jì)算要求。

1 綜合導(dǎo)熱系數(shù)

    乘員艙外壁面受到太陽的熱輻射，外壁面溫度高于環(huán)境空氣溫度，與環(huán)境空氣進(jìn)行對(duì)流換熱；車身外壁面吸收太陽熱輻射，通過車身壁面向乘員艙內(nèi)傳熱；發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱亦通過對(duì)流與導(dǎo)熱傳入乘員艙；地面的熱輻射使汽車地板溫度升高。汽車與太陽的相對(duì)方位決定了車身外壁面受到的太陽輻射強(qiáng)度，外壁面顏色義影響乘員艙對(duì)太陽熱輻射的吸收率。綜上所述，汽車乘員艙與外界環(huán)境的熱傳遞方式有三種：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，如圖1所示。其中，輻射部分在CFD計(jì)算中有著單獨(dú)的模塊，此處只考慮車體的導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱。將結(jié)構(gòu)內(nèi)部的導(dǎo)熱、對(duì)流等傳熱形式產(chǎn)生的熱損失都示為單層材料的導(dǎo)熱損失，通過熱損失及總厚度確定綜合導(dǎo)熱系數(shù)。

圖1 車體傳熱過程

圖2 車體導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型

    以三層結(jié)構(gòu)車體為例，其中中間存在氣空隙。綜合導(dǎo)熱計(jì)算方法：

    式中，q1為傳熱量，δ為各層厚度，入為各層材料的材料特性。其中氣隙采用空氣的材料特性。

    式中，q2為氣隙的對(duì)流換熱量。經(jīng)迭代，q1和q2相近，確定各層的最后溫度以及傳熱量。

    式中，q1′為最終傳熱量，λ′為綜合導(dǎo)熱系數(shù)。

1.1 計(jì)算模型

    為了驗(yàn)證計(jì)算方法，以實(shí)際某車體為例，具體參數(shù)如圖3所示。

    如圖3所示為車體斷面示意，圖中斷面由多種材料組成。這些材料的導(dǎo)熱性能差異性很大。

圖3 車體截面結(jié)構(gòu)示意

1.2 材料的導(dǎo)熱系數(shù)

    單層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，通常是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定、查詢材料手冊(cè)、結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，最終確定材料的數(shù)值。本文中涉及的材料相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 各材料導(dǎo)熱系數(shù)

    表1為相關(guān)材料的材料特性，根據(jù)上表本例以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

2 仿真驗(yàn)證

    通過建立多層結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算模型，加載內(nèi)外溫差的邊界條件，計(jì)算出熱損失從而確定導(dǎo)熱系數(shù)。最終計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

    表2為頂蓋傳熱系數(shù)計(jì)算與算例仿真結(jié)果對(duì)比，綜合導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果來看兩者相差不大。本項(xiàng)目采用公式計(jì)算確定其他部分的傳熱系數(shù)。

3 結(jié)論

    本文通過將車體原本存在的內(nèi)外表面對(duì)流以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳熱綜合計(jì)算其傳熱量，推導(dǎo)出綜合導(dǎo)熱系數(shù)，并以實(shí)際車體截面建立仿真計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果綜合導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算方法與數(shù)值計(jì)算接近。通過這種方法能夠快速的計(jì)算出車體各部分的傳熱量。從而減少了汽車CFD熱邊界方面的計(jì)算量。另一方面將車體復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳熱簡(jiǎn)化為固壁傳熱，減少了計(jì)算固體部分的網(wǎng)格量，將有效提高數(shù)值計(jì)算的收斂性。