微型車室內(nèi)三維空氣流動與傳熱的數(shù)值模擬_圖文

1、微型車室內(nèi)三維空氣流動與傳熱的數(shù)值模擬陳會平張勇梁榮光葉子波(華南理工大學汽車工程學院摘要建立微型車室內(nèi)三維空氣流動與傳熱計算的物理模型和數(shù)學模型,應用2紊流模型、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及有限體積法對微型車室內(nèi)兩種回風方式的三維空氣流場與溫度場進行數(shù)值模擬仿真計算與對比分析,為微型車的空調(diào)環(huán)境優(yōu)化研究提供有益的參考。關(guān)鍵詞微型車紊流流動傳熱三維流場溫度場NUMERICAL SIMU LATION ON32D AIR FLOW AN D HEATTRANSFER IN MINI2CARChen HuipingZhang Y ongLiang RongguangY e Zibo(College of Aut

2、omobile Engineering,South China University of TechnologyABSTRACTA physical and mathematical model for the computation of32D airflow and heattransfer in a mini2car is set up.The numerical simulation and analysis are carried out by usingturbulence model and FVM(finite volume methodwith unstructured gr

3、id under two ways ofair receiving.It gives a helpful reference for the research on the optimization of the air condi2tioning environment of mini2car.KE Y WOR DSMini2carT urbulence flowHeat trans fer32D airflow fieldT emperature field2004年6月1日出臺的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策明確提出:“鼓勵發(fā)展節(jié)能環(huán)保的小排量汽車”。在政策的推動下,微型車的普及程度會越來越高,企業(yè)的

4、研制開發(fā)也會越來越積極,車室內(nèi)的舒適性研究也越來越重要。車室內(nèi)空氣的速度場和溫度場的研究是氣流組織設(shè)計及其舒適環(huán)境評價與研究的基礎(chǔ)1。車室內(nèi)物理結(jié)構(gòu)及外界環(huán)境直接影響室內(nèi)的溫度場與空氣速度場的分布。本文建立了微型車室內(nèi)三維空氣流動與傳熱計算的物理模型與數(shù)學模型,應用2紊流模型、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及有限體積法對微型車室內(nèi)兩種回風口布置方式的三維空氣流場與溫度場進行數(shù)值模擬仿真計算與對比分析。研究結(jié)果對微型車的空調(diào)環(huán)境優(yōu)化研究提供有益的參考。1研究方法1.1物理模型以微型車室內(nèi)為計算對象,在相同空調(diào)工況下計算兩種模擬方案?；境叽鐬榈妆P2300mm×1250mm,凈高1400mm。車內(nèi)有2排共

5、4個座椅,座椅成100°夾角。方案一:送風口布置在前面板,共三個送風口,送風口尺寸分別為100mm×60mm,70mm×140mm和100mm×60mm?；仫L口布置在車前端,共2個,尺寸均為150mm×150mm。方案二:送風口與方案一相同。回風口布置在車尾端,共2個?？紤]到車尾端可用空間有限,回風口尺寸設(shè)計的較小,尺寸均為70mm×100mm。方案一車室內(nèi)布置如圖1所示。方案二與方案一只有回風口布置不一樣,為了節(jié)省篇幅不單獨給出車室內(nèi)布置圖。1.2數(shù)學模型采用高Re數(shù)2三維紊流模型方程。為了簡化問題,假設(shè)車室內(nèi)空氣不可壓縮,且符合B

6、oussi2 nesq假設(shè),即認為空氣密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響;流動為穩(wěn)態(tài)紊流;忽略固體和氣體的熱輻射;氣流為低速不可壓縮流動,所以忽略由流體粘性力做第5卷第6期2005年12月制冷與空調(diào)REFRIGERA TION AND AIR-CONDITION IN GVol.5,No.6December2005 圖1車室簡圖功所引起的耗散熱;流體的紊流粘性各向同性;不考慮漏風影響,認為車室氣密性良好;壁面恒溫且平均。根據(jù)這些假設(shè),車室內(nèi)空氣流動與傳熱數(shù)學模型以張量形式可描述如下。1.2.1連續(xù)性方程9u i9x i=01.2.2運動方程99x i (u i u j =-99x i (p +23k

7、+99x i (+t (9u i 9x j +9u j 9x i +(T 0-T g 1.2.3紊流流動能量方程99x i (u i T =99x i (Pr +t T 9T 9x i +qC p1.2.4紊流脈動動能方程99x i (u i T =99x i (k 9k 9x i +G -+gt Pr 9T 9x i 1.2.5紊流脈動動能耗散率方程99x i (u i =99x i (+t 99x i +(c 1G -c 2k 式中,紊流脈動動能產(chǎn)生項G =t (9u i 9x j +9u j 9x i 9u i9x j紊流粘性系數(shù)表達式:t =c k 2式中c ,c 1,c 2,k ,T

8、 為經(jīng)驗常數(shù)2;C p 為空氣定壓比熱容(kJ /(kg K ;g 為重力加速度(m 2/s ;k 為流體紊流脈動動能(m 2/s ;p 為時均壓力(Pa ;Pr 為紊流時的普朗特數(shù);q 為熱源強度(W/m 3;T 為流體溫度(K ;T 0為參考溫度(K ;u i 為速度分量(m/s ;x 方向:i =1;y 方向:i =2;z 方向:i =3;為紊流能量耗散率(m 2s ;為層流動力粘性系數(shù)(m 2/s ;t 為紊流動力粘性系數(shù)(m 2/s ;為流體密度(kg/m 3;為流體體積膨脹系數(shù)(1/K 。1.3邊界條件兩種數(shù)值模擬方案均采用相同的邊界條件。設(shè)計空調(diào)狀態(tài)為送風溫度293K ,回風溫度

9、299K ,送風溫差6K ,車室內(nèi)平均溫度297K 。車室內(nèi)空氣流動為強制對流,按空氣以0.3m/s 的速度外掠寬1m 平板模型估算出車室內(nèi)平均表面換熱系數(shù)為3.1W/(m 2K ,進而求得車室內(nèi)總熱負荷為2.21kW 。由總熱負荷求得送風速度為3.15m/s ,現(xiàn)取送風速度為3m/s 作計算3,環(huán)境壓力和操作壓力均取101325Pa 。入口邊界為入口速度V =3m/s ;出口邊界為出口壓力P =P out =101325Pa ,自由排氣。壁面邊界:定壁溫,均勻分布。車頂面303K ,車側(cè)面301K ,前擋風玻璃311K ,后擋風玻璃84制冷與空調(diào)第5卷309K ,前顯示面板受陽光照射取310

10、K ,車底面受地面反射熱影響取299K 。各壁面均取無滑移邊界條件,且流線不穿透。1.4數(shù)值求解方法應用Fluent 公司發(fā)布的網(wǎng)格劃分軟件G ambit 2.0對車室內(nèi)流場空間進行網(wǎng)格劃分。筆者采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格3劃分計算區(qū)域。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是一種處理復雜計算區(qū)域的有效方法,與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比,表現(xiàn)出一種不規(guī)則、無固定結(jié)構(gòu)的特點,對不規(guī)則區(qū)域有十分靈活的適應能力。而且,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中每一個節(jié)點與鄰點的聯(lián)結(jié)關(guān)系是全域一致的,這種聯(lián)結(jié)必須被顯式地確定下來并加以存儲。這種特點對于網(wǎng)格的自動生成、自適應處理及并行計算的實施帶來方便。為了減少計算量,對車室內(nèi)空間作拓撲運算,即令室內(nèi)總空間減去固體區(qū)域,僅對空

11、氣流動區(qū)域劃分網(wǎng)格,劃分的總網(wǎng)格數(shù)為299756個(見圖2 。圖2網(wǎng)格圖應用Fluent 6.0進行數(shù)值模擬?？刂莆⒎址匠屉x散時采用有限體積法,應用SIMPL E 算法求解離散控制方程,對流項采用迎風差分格式。開始迭代的時候?qū)⑺沙谝蜃訙p半,以層流模型模擬,迭代100次在流場順利發(fā)展之后恢復默認松弛因子,數(shù)值模型恢復為2紊流模型,并按速度梯度對網(wǎng)格進行細化,細化之后網(wǎng)格單元數(shù)增加到573729個,然后繼續(xù)迭代計算至收斂。2計算結(jié)果分析2.1方案一模擬結(jié)果(見圖3圖62.2方案二模擬結(jié)果(見圖7圖10筆者對微型車車室內(nèi)的三維空氣流場與溫度場進行數(shù)值對比計算,獲得的結(jié)果比較理想 。圖3x =1m 溫

12、度場(單位:K 圖4x =1.9m 溫度場(單位:K 圖5z =0.4m 溫度場(單位:K 圖6z =0.4m 速度場回風口的布置對車室內(nèi)空氣流場和溫度場影響較大。由圖3和圖7看出,最低溫區(qū)均為296.5K,但方案一的最低溫區(qū)更寬廣,而且乘員所94第6期陳會平等:微型車室內(nèi)三維空氣流動與傳熱的數(shù)值模擬 圖7x =1m 溫度場(單位:K 圖9z =0.4m 溫度場(單位:K 圖8x =1.9m 溫度場(單位:K 圖10z =0.4m 速度場在區(qū)域的平均溫度也比較低。由圖4和圖8看出,由于比較靠近送風口,所有最低溫區(qū)均比較低,均為296K 。但方案一的低溫區(qū)附近等溫線更稀疏一些,平均溫度更低。由圖

13、5和圖9看出,297K 等溫區(qū)均很寬廣,說明車內(nèi)溫度場非常理想,滿足車內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的技術(shù)要求。方案一的297K 等溫區(qū)在前排乘員處更加寬廣些,并且方案一的297.4K 等溫區(qū)在方案二已升高了0.4K 至297.8K ?？梢姺桨敢坏目照{(diào)效果更好些。從以上各圖均可看出,駕乘人員所處的空間均表現(xiàn)為上半身溫度較低,下半身溫度較高,很好地滿足了空調(diào)設(shè)計中“頭涼腳暖”的舒適性要求,同時送風口的布置方式合理使冷風沒有直接吹在人員身上。由圖6和圖10看出,由于在靠近送風口處射流比較集中,前排人員所在空間空氣流速不均勻且大部分區(qū)域流速比較低,而在后排射流發(fā)生擴散,帶動空氣流動并在障礙阻礙下形成渦流。3結(jié)論針對在同等空調(diào)工況下的兩種不同回風方式的車室內(nèi)三維流場和溫度場進行數(shù)值模擬和對比分析。結(jié)果表明,不同的回風方式對車室內(nèi)流場和溫度場的影響是明顯的,前置回風方式獲得的空調(diào)效果更好,而且回風管道更短,是合適的回風方式。研究結(jié)果為在最低資源消耗率下獲得最佳的空調(diào)效果提供了依據(jù),為今后微型車車室內(nèi)空調(diào)環(huán)境優(yōu)化研究提供有益的參考。參考文獻1K omoriya T.Analysis of vehicle passenger compartment ventilation u