特种车辆乘员舱微气候环境预测研究官升吴圣钰罗玉萍何耀锋北京特种车辆研究所,北京,,,,,,,要,特种车辆乘员舱微气候直接影响乘载员工作效率,进而影响整车战效能的发挥。因此,改善微气候环境具有重要的军事意义。本文对内微气候,主要指温度场,研究方法进行了分析,提出特种车辆乘员舱微候环境预测方法,建立了仿真分析数学模型,为特种车辆车内微气候理论研究和设计奠定了基础。键词,特种车辆,乘员舱,微气候,预测,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,’ ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,。 ,,,,,,, ,,,,Ⅱ,,,,,,,,,,,,,,,,,’ ,,,,,,Ⅱ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Ⅱ,Ⅲ,,,’ ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, , ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,’ ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,’ ,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, 引言种车辆乘员舱微气候是指乘员舱内的温度、湿度、空气流动速度和周围表面平均辐温度等环境因素。微气候直接影响到乘载员的工作效率,尤其是感受和加工信息的能力,实验验证,在不良微气候条件下,注意力将恶化,,,,对数字符号的短时记忆力下降印,,对发光和音响刺激的反应时间则增大,,,,,,。事实上,特种车辆由于发动机功率大、作环境差,导致乘员舱内微气候环境非常严酷。进行特种车辆车内空气流场的数值模拟究,通过数值计算方法研究复杂几何边界形状、复杂热边界条件,阱及小空间强迫对流、然对流、辐射同时存在的复杂流动与传热问题,通过空气流场的数值模拟,研究乘、载舱内空气速度分布和温度分布,研究送风参数与送风位置对空气流场与,体舒适性的影年四部舟环境特性的研宽’ ,,,瞄。岫姐,,,,,,,,,,,,,,,,,血,,从而获得最佳动态进风控制规律,可以实现特种车辆车内空气交换系统的舒适性控制。研究现状及发展趋势于车内温度场的研究目前有三种主要的方法,实验方法,经验,式,数值模扭计算。, ,实验方法前实验方法主要有两种方式。一种是实车实验,对恒温车舱内的,,个位置用热电撮试温度,测知各位置的温度上升特性和大致的温度分布,应用示踪法进行流体的直接观。另一种是应用比例模型实验,用丙烯树脂制成,, ,比例模型,应用示踪法进行流体的直观察。它采用超声波加湿器微小水滴示踪法,适当减小水滴,配合碘坞灯的窄光,观察内任意断面的流体状态,该方法是最实用和有效的实验方法。, ,数值模拟方法前,数值模拟方法已经应用于各个研究领域,对于温度场和流场的研究也广泛地使,主要用于分析空间内温度场和流场的分布。在数值分析中,对于方程的选用多采用,、维紊流模型。但当空间内空气流速很低,近壁面处紊流粘度较小时,可采用低雷诺数二程模型。 网格划分可以采用非结构化网格、贴体坐标网格、 ,,,,,∞,,,,,,,,,,,,网格等格生成技术。其中非结构化网格是一种处理复杂计算区域的有效方法,与结构化网格相,表现出一种不规则,无固定结构的特点,对不规则区域具有十分灵活的适应能力,而非结构化网格每一个节点与邻点的联结关系是全区域一致的。这种特点对于同格的自动成、 自适应处理和并行计算的实施带来方便。 ,,,,,,,,—,,,,,,,,,,网格生成技术可以按要求任意加密,不仅可以控制边界网格的正交性, 同时可,控制第一内节点到边界的距,过对于边界条件处理和素流流场的计算是非常有利的。数值模扭中的解算方法多采用,,,,,,,算法去求解离散控制方程,, ,经验公式方法上舟绍了对于车内温度场研究两种较流行的方法。即实验测量和数值模拟。前者的果较精确可靠,但代价太大,周期很长,后者的结果有一定的精度,代价相对较小,周较短,不过数值计算的工作量也很大,对计算机的软硬件要求较高,编写的程序及运行间也较氏, 因此,将这两种方法结合起来,可以得到较好的预测与植验效果,在考虑诸影响园素后,针对车辆舱室内温度场可以采用一种更为简化的经验分析方法,得到其温分布特性的动态经验公式。这种方法仅依靠代数方程的演算就可获得一定精度的车内温分布,在软件和硬件上的要求较低,对不同的车型或运行环境具有很强的适用性一与昂而又耗时的实验测量方法和编程繁复而专用性强的数值模拟方法相比,经验公式法是一简洁和较可靠的方法。, ,发展趋势前,世界各大汽车公司均借助计算流体技术对车室内部空气流动与传热情况进行了值模拟, 以协助确定汽车及其空调系统的设计参数。但是由于人体热边界条件的复杂性,关研究均未涉及“人”这一主题。虽然无人车室的仿真计算对于指导汽车和汽车空调系, “ , 。 。 。 曲芦吖恤。 ,,譬慧黑, ,,慧盖麓,慧篁, , ,盖急。设计已经足够。但汽车室内空间狭小,车内乘坐率和乘员的性别,年龄和体型等直接嚣室内气流分布,载人车室内部空气流场和温度场均与空载时有很大的不同,体的特点与其他的脊椎,热血,动物一样, 内部的温度是基本恒定的,正常情况下的肌体温度保持在,,℃,热扰动产生时,人体通过相应的温度调节机能维持体温不变,的温度调节系统远比工业控制过程复杂。有关人体热舒适性的研究表明,人体皮肤表面度和热流密度,即人体的热边界条件,直接决定人体的热舒适性,井控制,体的调节机做出相应反应, 由于人体生理特点和个性差异,采用数值计算研究载人车室内部环境对,在一些困难。首先是人的性别、年龄和着装的差异毫接影响人体表面温度,其次是人体身适应环境的自我调节作用和人体各部分的生理联系无法在数值计算中考虑,最后是,热舒适性由皮肤表面温度和通过皮肤的热流密度确定,在数值计算中设定第一类或第二边界条件时需要预先定义热舒适性的范围。目前考虑人的汽车室内温度场研究中,大多采用各类暖体假人,在假人的皮下和体安装加热源,在实验中通常控制其加热功率,测定各部分相应的皮肤表面温度, 即暖体人太多取作第二类边界条件,载人车室的温度场数值模拟完全可以起到模拟暖体假,的用,, ,特种车辆车内微气候预测方法种车辆车内空气的速度场,温度场是研究特种车辆车内气流组织设计及车内舒适环评价的基础。 以往车室内的气流组织设计是参照房屋内气流组织设计的,将逆风气流看射流,通过求解射流的经验公式来确定车内各十断面的温度分布和速度分布,再视该温丹布和速度分布是否满足设计要求来调整进风口位置、尺寸及送风速度等, 由于射流的验登式无法考虑到车舱形状及座椅等的影响,也无法考虑到排风气流对射流形成的影响,此,采用射流的经验公式获得的经验数据结果是比较粗糙的,现在多采用,、 ,三维紊模型,应用有限单元法计算特种车辆车内气固耦台传热问题,对车内气流组织,主要是速度局和温度场进行数值模拟。这种方法主要是利用计算流体力学软件对车内进行温度、速度场的三维数值模拟计算,并通过模拟计算和试验的对比分析,加深对车辆舱室内温度场分布和速度场分布的认识,为车辆设计和开发提供方法和经验。进行数值模拟计,首先要建立几何模型, 即车室内部轮廓模型,,,,模型,。模型应该考虑显控仪表及其控制装置、乘载员座椅等车室内部突起形状的表达。其次是选取适当的数学模型,通常用高雷诺数奇勺,,,紊流模型,而且还要考虑一系列的假设。再次是礴定模型的边界条件,要有入口、 出口边界条件和车体壁面,,,, ,,边界条件。最后是对模型划分阿格进行数值计,划分同格时多采用贴体坐标划分计算网格。对于数值求解方法可以应用有限差分法离控制微分方程,应用,,,,,,,,算法求解离散控制方程,数值模拟仿真分析,,数学摸型要包括质量,动量和能量守恒的非线性偏微分方程和复杂的三维几何体中的其他组。它用基于单元的有限容积法和耦合的代数多网格法来离散和解算控制方程。物理模型括层流或湍流,不可压缩或可压缩流体, 自然对流,参考体的旋转框架,多孔障碍物,,,, ,,燃翟兰监‰。一,,“曲,吐,,,,邑,,,,,珊址,皿砥廿 ,,,’对湿度和流体流动、热量传递的总体边界条件。,,控制方程体质量守恒方程,巡, ,,,‘,。中, ,,为聋』方向上的平均速度量。量守恒方程,,,半一一善,挚磐,挚,雨,缸,缸, …缸,, ’ ‘ ,¨ “,式中,叶和“,分别是。 ,方向的时均速度量和脉动速度量, 品,是动量源项,对自然对流而, 品,包括浮力在内,对于在参考物的旋转框内流动来说,它包括科氏力和向心力,对于过多孔障碍物的流动而言, ,。 ,包含附加流动阻力。量守恒方程,半≯一等,土。 ,,二,,堕,,,一万卜专“每,拳一研, ,靠,,,,,等≯ ÷,占,,翌。 ,,一雨,瓦拍,缸,‘’…,中, ,为时均静态焙, ,‘为脉动静态焙, ,。为总焓, ,为压强, ,为温度,一面,为雷应力,一田, ,’为雷诺流量。 ,,为能量的源项, “,流体的动力粘度, ,,导热系数, ,,为热。程,,,,代表流体的总能最守恒,对所有流动状态都宥教。尉低厦赢动,方程,,,,简化为低速形式为方程,,,,。,,湍流模型以使用三种湍流模型来模拟雷诺,或湍流,压力和流量, 固定枯度摸型,混告长度型和标准,—,两方程模型。诺压力和流量通过使用一个,,,,,,,,,,旋涡粘度假设来评估,两,,謦,挚号嘲一万一瓦,,‘ ,,缸,,, , , ,,,,而‘惫臼一万蚩曹中,七为湍流运动能量, ,,,为湍流普朗特数, ,,。和,,,分别为空气中的水蒸气和其他组的湍流史密特数。(竺)竺竺竺,鳖婆釜鲨墨釜耋鳖, ,兰竺, ,竺竺,,固定粘度模型于同定牯度模型,设“为湍流粘度,。 ,, ,,,,,,中 吃是平均流动速度, ,是湍流旋涡长度,缺省情况下, 匕为域内昂大的流动速度,阻计算域边长的,, ,来考虑。,,混合长度湍流模型台长度湍流模型是一个零方程模型,使用下式计算湍流粘度,,∥玷,,中, ,是混合长度, ,是平均拉力比率系数。合长度,被定义为,—,,,,五勾‘ , ,, ,砂一,,,,中, ,为给定的潮湿因素,,, ,力,,,,,,㈢,,,中, ,是冯,卡门常数,,,,, ,,,, ,是从节点到墙的垂直距离, ,。是模型豹一个特征长,缺省情况下为计算域边长的,厂,。于内部节点,例如,不和墙接触的节点,,平均拉力比率系数绪定如下, √珥,,,,,,, ,等等,,,,于墙节点来说,拉力比率基于对数墙函数,,掣, ,,,,掣,中, ,,是剪切速度。,,,, ,两方程模型标准两方程,,,模型时,湍流粘度的计算式为, ,譬,中, ,为湍流运动能量, ,为湍流运动能量扩散的速度, ,,为常数。和,通过分别解算这两个量的守恒方程获得。方程如下,,笔掣, ÷吸§,足一。,,,,,,, 、 ‘缸,…’掣,堕掣一毒,,静,知最屯神㈣船,缸,、 ‘缸,’ ,、 “” “…。里, ‘一, ‘,当, ,,,,盟分别是,和,的有效扩散系数。玑是湍流运动能●生成速度,被定义为,年呻部争环境特吐的研克,,,,, ‘ ,■蛇,,,,,,,,,,,,,,,,土,,,,Ⅱ,,耳 画警,,,程,,,,,,,,,中的常数是,,,, ,, ,。 ,,, ,,,, ,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,, ,, ‘,,, ,,, ,边界条件要包括固体墙、风扇、通风口、隔屏或过滤器以及对称边界条件等。, ,, ,风扇,,风扇曲线扇曲线表达了通过给定风扇的压力增加和被该风扇循环流动的体积流速之间的联。风扇的压力增加为风扇处耗尽的静压力和风扇处吸入的总压力之间的差值,向,, ,卸,埘,,,,,“,,,,,一‰,。 ,,,,种典型的风扇曲线说明如图,所示,,一种典型的风扇曲线,,指明风扇的压力增加扇上的压力增加边界条件包括进风风扇的静排出压力和排风风扇的静吸,压力。方程,,,,可知,在进风风扇排出侧的压力增加是瑚如棚,,洲血出,印,甜,,,果进口处的总压力等于环境压力,蚯忙。 ,删 ,删。 ,枷,印伽,,,似地,排风风扇的进口处的总压力是地,,,,,出,,瑚血一,口 ‘出,, ,,,,,,,舶斑一融,删一印向,,,者,如果排出口处的静压力等于环境压力,,妇女,,撕,一卸向一,,曙,,,,,,风扇上的流动角度以从风扇标准中给通过进风风扇或内置风扇的流动指明一个角度,在这些情况下,直于风扇的速度项圪是从风扇曲线,速度,质量流速,体积流量或压力增加规范中获得,,,,岫嘲删,一盐勰麓僦麓黧盎。速度。平行于风扇平面的进度项,被计算以使总速度矢量在指明的流动方向上,也就是,‰,,,,,,,,,,,,,,,指定温度仅在进风风扇中指明流体温度作为一个边界值,可以为环境温度或用户特别指明的度。,,热生成生成可以在内置风扇上或再循环风扇上被指明。风扇热生成的数量为,,二,,,” ,里,二是通过风扇的质量流速, ,是常压下流体的比热,对内置风扇来说,,,,¨ , ,。 ,对再循环风扇来说,△,,,一一,。, ,, ,通风口风口被视为通道,是被指定的压力和温度的边界。施加的条件依籁流动的方向,如流动是一个流入,则另一个是流出,,,流,式通风口流入式通风口处,被指明的压力是总压力,。 ,只蚰,一只∞,,,,,,。 ,,,,此,真实加于—十流入式通风,,,的静压力,。一‰一,,砰,,,果通风口是对着周围环境的, ,,☆,只。 ,脚一÷,—,,,,,,,流出式通风口流出式通风口处,被施加的压力是静压力,。 ,‰,,,,,者,如果通风口是对周围环境,,厶“。,,,,,通风口上的头损失系数风口上的头损失系数被指定以模拟该通道上的一个屏障或一个过滤器。在这些隋况,方程,,,,变为,,昂。 ,,兄,,去,曙,, ,阿,。 ,Ⅲ方程,,,,变为,,‰☆一,,,阿,。 ,,,,这里,是头损失系数。,,通风口的角度风口上被指明的角度将仅仅影响流入,平行于风扇的速度项,嚣慧,麓慧篮‰。 ,,,,,,,,,,扯岫加,,,,,,坤山,Ⅲ,,,,,Ⅻ,,,,,,,,,里, ,是垂直于通风口的速度项, ,是流动方向和通风口,法线方向之间的夹角,,,指定温度风,,温度仅被应用于流入。这个温度是环境温度或被用户指定的一个值,, ”外界环境边界条件界环境边界条件主要包括温度和气压。其缺省值为,,,,,一个标准大气压,根据需要以设定不同的温度和气压值。, ,离散化过使用一种基于控制体积的有限单元法,控制偏微分方程被离散化。用这种方法,制方程基于一个控制体积和一个时间步长被积分。 以表达其他组分垂守恒的方程为倒,分被表达为,护,,学,一砖㈣詈一面是控制体积, ,,是时间步长。用高斯定理,方程,,,,变为,州¨ ,,,, , , ,删。廊以詈’瓦和,产∥,, ,是控制体积表面向外单位法向量, ,是控制体积的外表面面积。体积和表面积分在一定义在一个计算栅格或网格上的离散有限体积上被数值模拟。, ,质量守恒方程离散化的详述积分上,质量守恒方程,方程,,,给出警,∑㈣血』 ,一删,…里,右上角标。指在以前时间步睦上的值,并且,,,,,,,一。于气体,瞬态项被表达为掣,詈乓,,一争,、,一里, ,是理想气体常数。分点的速度阮自从积分点速度的动量方程中估计。质量守恒方程射结果形式包含一压力重新分配项,它解决了压力一速度耦合问题,这个问题是典型的协同定位方法。, ,其他守恒方程离散化的详述度,, 的动量守恒方程的离散化形式,方程,,,可以被写为,华,善蠢,牵。一善加,里,畅,,卢,脚似地,离散的能量的、水蒸气的、其他组分的、湍流运动能量的、消散率的守恒方是,’ ,,, ‘血鲫¨盐丧盟,勰器盎篡怂,,。,岫咖。,三以,三,,蛳,,∥,,,单,善,,,善孚却吲一“矿观,,焉∞,善蕊。善,暇硝曹,Ⅳ枷皑华,,如 驴曹吲一,矿蚪,钙芦,善赫,驴印矗丘堪,盯,这里, ,,,,苦, 。 ,硝。珥,忐,峨盯。 以,惫方程,,,,,,,,,中,瞬态项、对流项、有效扩散项和源硬从一个方程到另一个程都有相同的形式。分离的有限体积方程被联立后, 即可以解算它们, 目前的方法是联立质量和动量方并在一起解算,使它成为一个耦台的而不是分离的线性解算器。避大大地提高丁精准性敛宰。本反复跨隆解算器是一种耦合的,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,舟子分解法,方程系统以形式地写为,,,占,,,里, , ,是系数矩阵, ,是解算矢量,例如, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,,或士方程,, 日右边项。反复地解算这个方程,开始用一个合理的解算, ,它通过一十纠正,’被提高,生,十更好的解算, , “,也就是,,,,工“,,。,,, ‘,, ,,,, “,,一出”,,,用合适的反复解算器来解算,,—,,。重复使用这个算法将会产生一个预期精度的案。结论用数值模拟仿真分析对特种车辆车内温度环境的预测和设计具有重要的指导意义和济效益,本文建立了数学模型、边界条件和计算方法,为仿真分析奠定了理论基础。考文献,略,, 【四部舟环境特性的研克,,,,僦,,,,讲,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,作者简舟】黄官升男,汉, ,,,,年,月,日生,湖南常宁, ,,,,年毕业于装甲兵工程学院帆工程蒹, ,钟,年北京理工大学车辆工程学院袭硕士学位,舢年北京,北京装甲兵装备技术研究所高级工程师,现从事,一机一环境系统工程专业研览工作一碗士研究生导师一获国防科学技术二等奖,项,部委级科技进步三等奖,项,发表论文,,余篇,