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原文传递基于三维热流耦合仿真的中大型SUV 乘员舱热舒适性分析

论文题名：	基于三维热流耦合仿真的中大型SUV 乘员舱热舒适性分析
关键词：	中大型乘用车;热舒适性;局部空调;乘员舱
摘要：	随着社会经济的飞速发展，汽车行业日新月异，消费者对汽车各方面性能的要求也日益增高，其中具有一个宽敞的乘坐空间和良好的热舒适性现已成为购车时必须考虑的两大要素。乘员舱作为汽车内部最大的密闭乘坐空间，其热舒适性的好坏与舱内流场和热场结构密切相关。在满客情况下，不良的热舒适性很可能会导致驾乘人员产生疲劳感，甚至会导致晕车、呕吐，会对行驶带来严重的安全隐患。因此，深入且准确的分析中大型乘用车型乘员舱的热舒适性变得越来越有必要。　　本文以某款中大型SUV为研究对象，通过CFD软件STAR-CCM+与热仿真软件TAITherm联合搭建三维热流自动化耦合仿真平台，综合利用计算流体力学分析方法，对炎热环境下舱内流场、热场结构以及热舒适性评价指标展开研究与讨论。针对分析结果提出局部空调送风方案，最后通过Berkeley热舒适性评价模型进行人体热舒适性对比评估，进而达到舱内局部区域高效降温、改善热舒适性的目的。本文总共分为六个章节，主要包括以下内容：　　（1）全面概括国内、外乘员舱热舒适性、舱内流场、人体热调节模型及三维热流耦合仿真研究现状。详细介绍计算流体力学、人体热舒适性及其所对应评价指标的基本原理和控制理论，并浅析本课题中乘员舱所涉及的三种主要传热方式。　　（2）对目标车型乘员舱、车身外表面以及乘客假人模型进行几何拓扑简化处理和仿真建模。通过实车环境舱暴晒试验与数值仿真对同一测量点结果进行误差对比分析，其中最大误差为7.14%、最小误差为1.17%，均在误差范围8%之内。在验证仿真模型准确性的同时，也为下文热舒适性耦合仿真提供了初始温度条件。　　（3）在合理可用的乘员舱模型基础上采取控制变量法，分析不同送风参数对乘员舱热场、流场结构及人体热舒适性的影响。研究结果表明乘员舱内速度场分布与送风温度变化没有直接联系，提高送风温度不仅会升高舱内均温，而且还会加剧乘客头部、脚部温差。送风速度能直接影响舱内温度场的改变，但对流场结构影响甚微。提高送风速度在降低舱内均温的同时会有效减小乘客头部、脚部的温差。采用增大送风速度的方法能够短时间内提高舱内空气品质和新鲜度。降低风温可以使舱内相对湿度保持在舒适范围之内，有利于提高人体热舒适性。　　（4）针对目标车型传统送风方式的不足之处，同时参考现有空调送风口结构，提出五种单一局部空调送风方案，包括A柱送风、B柱送风、顶置矩形与顶置环形送风。对比分析并总结提出两种组合送风方案即前排顶置矩形送风+后排B柱送风方案和前排顶置环形送风+后排B柱送风方案。　　（5）针对乘员舱内存在的复杂三维热流耦合问题，本文运用STAR-CCM与TAITherm耦合仿真分析的方法，并通过CAE耦合工具Cotherm和JAVA程序自主搭建了可以实现粗细网格相互映射功能的高效率自动化热流耦合仿真平台。同时调用TAITherm中的Berkeley人体热调节评价模型，采用整体、局部热感觉及热舒适性评价指标PMV与PPD将两种组合送风方案与传统送风方案进行了更加深入的热舒适性对比分析。分析结果表明在满客情况下，前排顶置环形送风+后排B柱送风方案可以对整个乘员舱起到到一个良好的降温效果。主驾驶员、中排侧边乘客、中排中间乘客以及后排乘客的整体热感觉评估值均在理想区间内，PMV值和PPD值分别为0.63、25.98%（主驾驶员），-0.42、17.62%（中排侧边乘客），0.64、25.32%（中排中间乘客）和0.64、26.01%（后排乘客）。在仅前排载客情况下，前排顶置矩形送风+后排B柱送风方案可以快速有效降低主驾驶员包括副驾驶员身体周围区域温度，并同时获得良好的热舒适性。主驾驶员、中排侧边乘客、中排中间乘客以及后排乘客的整体热感觉评估值最靠近理想区间，PMV值和PPD值分别为-0.58、21.05%（主驾驶员），-0.51、19.72%（中排侧边乘客），0.86、33.68%（中排中间乘客）和0.84、32.45%（后排乘客）。　　本文通过自主搭建三维热流耦合自动化仿真平台，对某款中大型SUV的乘员舱热舒适性进行了分析与改进。一方面，自动化耦合在很大程度上节省了计算资源和计算时间，提高了计算效率；另一方面，该课题也为今后汽车局部空调降温及热舒适性领域的研究开发工作提供了一定的工程指导意义。
作者：	李坤璠
专业：	工程(车辆工程)
导师：	赖晨光;王庆洋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆理工大学
学位年度：	2023