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原文传递基于热电制冷的商用车局部空调热环境及人体热舒适研究

论文题名：	基于热电制冷的商用车局部空调热环境及人体热舒适研究
关键词：	商用车;局部空调;热电制冷;多点射流;人体热舒适;数值模拟
摘要：	汽车空调系统的主要功能是通过调节汽车座舱空间的温湿度，以满足乘员的热舒适性。长途运输商用车的座舱空间大、乘员少，而人体的热舒适性仅与人体周围的热环境密切相关，空调系统对整个汽车座舱进行热调节会产生大量的能源浪费。局部空调是一种区域性的热调节技术，专注于人体不同部位的热舒适性需求，研究人体温度场和座舱流场的耦合机理与精准控制方法。结合热电制冷技术高可靠性、无制冷剂、无运动部件、无噪声等优点，构建的基于热电制冷的局部空调系统在节能减排、汽车电气化、汽车智能化方面具有广阔的应用前景。而如何在座舱有限的布置空间、外部环境因素影响下，形成有序的气流分布，改善人体的热舒适度，从而构建合理的局部热环境已成为汽车局部空调应用推广的主要挑战。因此，本文以某牵引车头为对象，针对商用车局部空调下的座舱热环境及人体热舒适性开展相关研究，主要包括以下几个部分：　　（1）商用车局部空调系统构建及热电制冷性能分析。分析自然条件下商用车座舱的传热过程，基于热电制冷的基本原理、热交换器传热规律，开发一种应用于商用车局部空调系统的小型热电制冷装置（TEC），确定TEC的布置方式，配备循环冷却水路等辅助附件，构建一套局部空调系统。建立热电-传热-流体多场耦合模型，实现热电效应的动态模拟，得出TEC各项性能参数的动态响应，揭示TEC出风温度随输入电流的变化规律。开展实验测试，验证了耦合模型的准确性，并得出TEC的最佳电流区间。　　（2）基于多点送风的局部空调座舱流场特性研究。考虑到点状射流扩散下的速度不均匀性，提出局部空调对称交叉射流的送风形式。分析等温交叉射流的扩散及衰减规律，得出流体参数随射流距离变化的横向分布，推导出交叉射流融合区均匀性最佳的结论，拟合得出交叉角度与融合区射流长度的关系方程，确定TEC气流的对撞角度区间。建立商用车座舱下的流体-传热模型，分析等温射流下人体各部位得热量的组成及差异，结合交叉射流的温度衰减规律，利用TEC易调节的特性，推导各TEC出风温度的差异化调节策略，形成非等温交叉射流送风模式，减小人体躯干的左右换热量差异，提升表面温度的水平均匀度。　　（3）局部空调多点送风下的人体热反应研究。在建立的商用车座舱流体-传热模型的基础上，进一步引入人体热调节模型，模拟非等温交叉射流下的人体热反应。搭建Fluent-TAITherm联合仿真平台，得出座舱流场的瞬态分布，并通过假人模型表面气流温度测算实验验证流体仿真的准确性。随后分析不同环境温度、不同舱内湿度条件下，局部空调座舱内的人体热反应，模拟各工况下人体的热调节过程，得出人体皮温、血液调节和出汗量的变化规律，并采用传统PMV的方法对人体热舒适度进行初步评估。结果表明，在局部空调构建的热环境下，高湿度减小人体的蒸发散热量、呼吸散热量，使得皮温上升，热舒适性降低。最后进行皮温测量和出汗量评估实验，开展模型验证。结果表明，对于手部、脚部此类处于血液循环末端且个体差异较大的人体部位，模型对皮温预测的最大偏差为2.1℃，但大部分人体节段的皮温偏差在1℃以内；受人体差异性的影响，模型对于出汗量的预测精度一般，可用于定性判断出汗程度。　　（4）商用车局部空调座舱热舒适性评价与验证。基于标准有效温度SET与当量温度Teq，结合商用车局部空调热环境建立热舒适评价指标，拟合得出热舒适主观投票（TSV）与SET、Teq的关系方程。以人体各节段表面积、局部热敏感度为基准，确定人体节段的权值，加权平均得出整体热舒适指标值。开展局部空调热环境热舒适主观评价实验，设计调查问卷邀请志愿者参与主观评价打分。结果表明，整体热舒适评价预测上Teq比SET更为接近实验值，但偏冷工况下两者差异较小；局部热舒适预测上，SET预测值准确度较高。结合SET与Teq测算方法的难易程度来综合评判，SET比当量温度更为适用于局部空调热环境下的人体热舒适评价。实验结果验证了局部空调在改善人体热舒适度方面的有效性。　　本文开展了基于热电制冷的商用车局部空调热环境及人体热舒适研究，提出商用车座舱特殊热环境的数值模拟方法，探寻基于多点射流送风的座舱局部温控区域构建机理，分析其中的人体换热过程，揭示多点送风射流下的人体表面温度分布及变化规律，形成人体热舒适的精准调控。用以解决汽车局部空调实际应用及座舱热环境研究中的一些共性问题或设计原则，探索汽车热电技术应用的新途径。
作者：	万秋实
专业：	车辆工程
导师：	邓亚东;苏楚奇
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022