客車乘員艙復雜結(jié)構(gòu)綜合導熱系數(shù)計算

    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)和材料十分復雜，如果不對乘員艙內(nèi)熱環(huán)境的氣流進行合理的組織，溫度場和流場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。而其中溫度場分析，是評價熱舒適性、空調(diào)性能和除霜除霧效果重要指標。相比于傳統(tǒng)實驗測量艙內(nèi)點溫度分布，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。但由于汽車自身結(jié)構(gòu)的復雜以及艙內(nèi)外多種換熱形式，使得汽車熱分析過程中，熱負荷的準確計算極為重要。通常計算人員是通過一系列簡化后再進行計算。

    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)則同時存在著導熱、輻射換熱和對流換熱現(xiàn)象。而車身內(nèi)外表面又分別存在對流換熱。所以只是簡單地按多層均勻平壁傳熱來考慮，不夠準確。

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

1 綜合導熱系數(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)境空氣進行對流換熱；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)動機艙的散熱亦通過對流與導熱傳入乘員艙；地面的熱輻射使汽車地板溫度升高。汽車與太陽的相對方位決定了車身外壁面受到的太陽輻射強度，外壁面顏色義影響乘員艙對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：導熱、對流和輻射，如圖1所示。其中，輻射部分在CFD計算中有著單獨的模塊，此處只考慮車體的導熱和對流傳熱。將結(jié)構(gòu)內(nèi)部的導熱、對流等傳熱形式產(chǎn)生的熱損失都示為單層材料的導熱損失，通過熱損失及總厚度確定綜合導熱系數(shù)。

圖1 車體傳熱過程

圖2 車體導熱系數(shù)計算模型

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

    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′為綜合導熱系數(shù)。

1.1 計算模型

    為了驗證計算方法，以實際某車體為例，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 材料的導熱系數(shù)

    單層材料的導熱系數(shù)，通常是通過實驗測定、查詢材料手冊、結(jié)合相關(guān)文獻的方式，對數(shù)據(jù)進行分析對比，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)上表本例以實驗數(shù)據(jù)為準。

2 仿真驗證

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

表2 計算結(jié)果對比

    表2為頂蓋傳熱系數(shù)計算與算例仿真結(jié)果對比，綜合導熱系數(shù)結(jié)果來看兩者相差不大。本項目采用公式計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)外表面對流以及復雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳熱綜合計算其傳熱量，推導出綜合導熱系數(shù)，并以實際車體截面建立仿真計算模型進行驗證。計算結(jié)果綜合導熱系數(shù)的計算方法與數(shù)值計算接近。通過這種方法能夠快速的計算出車體各部分的傳熱量。從而減少了汽車CFD熱邊界方面的計算量。另一方面將車體復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳熱簡化為固壁傳熱，減少了計算固體部分的網(wǎng)格量，將有效提高數(shù)值計算的收斂性。