幅流风机对公路客车室内热流场的影响分析

胡耀宗，何锋，刁雷

（550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院）

0 引言

公路客车为长途客车，载人较多，长时间车窗紧闭，空气流通不畅，导致车内环境复杂，影响车内流场流动，使人体产生不适感。在针对这一问题的研究中，林飞跃[1]研究发现车厢内气流流动状况对于车厢里的温度场影响很大；李俊[2]研究发现动态送风可显著降低使用者的整体热感觉；MCINTYRE[3]研究表明动态风可以改善室内热环境；康伟[4]证实动态空调策略有利于舒适性改善，采用幅流风机可以使空调系统实现风速动态化；赵楠[5]证实加载幅流风机能改善车厢内气流组织，提高流场均匀度，提高车内乘客的舒适性。

目前对公路客车热舒适性的研究多集中于对空调系统结构的改进，关于动态扰动气流对客室流场及温度场的影响研究较少，在城市轨道交通客车空调系统中多采用幅流风机，使风速动态化，提高乘客舒适度。

本文主要研究利用幅流风机在客室产生扰动气流，基于流场和温度场，利用气流组织形式、风速分布、温度变化等，分析极端炎热条件下乘客所处微观热流场环境，对提高客车舒适性有一定意义。

1 理论公式

1.1 基本控制方程

气流在客车室内流动是复杂湍流流动。湍流计算基本控制方程是不可压缩雷诺时均N-S方程。

（1）连续方程

（2）动量方程

（3）能量方程

式中：p——流体微元的压力；ρ——空气密度；uj，ui——平均速度的分量；xi，xj——坐标分量；Cp——比热容；k——传热系数；μeff——湍流有效黏性系数；ST——流体内热源由于黏性作用使得机械能转化为热能的部分。

1.2 幅流风机运动方程

设置幅流风机叶轮转速为1 420 r/min，在76°角度内摆动，在场函数中设置扰动函数为

式中：v——扰动频率；n——风罩转速；t——时间。

2 数值计算方法

2.1 客车公路模型的建立

建立某12 m 公路客车计算模型，回风口建于客车顶部中间处，送风口简化为长条对称分布于汽车两侧，在汽车顶部增加两处用于安装幅流风机，将由风机叶轮、风机风罩和出气栏栅组成的幅流风机加载在客车上。为划分优质网格，将客车其余零部件简化处理，具体布置如图1 所示。建立1.75 m人体模型，无规律地分布在汽车内，模拟乘客真实状态。处理后模型如图2 所示。

图1 客车布置细节图Fig.1 Bus layout detail drawing

图2 某12 m 长公路客车Fig.2 A 12-meter-long road bus

2.2 网格划分

通过STAR-CCM+对计算模型进行表面重构和表面自动修复，生成增强质量的三角形面网格。为提高计算准确性，对风机叶轮、风罩生成棱柱层及细化网格，最后得到客车及幅流风机整体网格数量为334 万个。划分网格模型如图3 所示。

图3 求解域网格Fig.3 Solving domain grid

2.3 模型及边界条件的设定

为研究乘客舒适性，选择舒适性求解模型。太阳辐射会引起车厢内空气速度场和温度场的波动变化，对车厢内乘客的热舒适性产生影响，为使仿真更接近现实情况，须考虑太阳辐射模型，具体边界条件如表1 所示。

表1 边界条件参数Tab.1 Boundary condition parameters

数值计算过程中，太阳辐射计算量大，应缩短计算周期，保证仿真正常进行，对结果影响较大的客车区域块/面比例设置为25.0，其余非重要区域设置为10.0。

如图4 所示，对司机和分散于前中后的3 名乘客，共4 人调用热舒适性向导设置乘客属性，用以监测人体热舒适变化情况。

图4 客室内监测乘客分布Fig.4 Monitoring passenger distribution in passenger compartment

3 数值计算方法

3.1 热流场分析

设置2 组工况：（1）客车上未加载幅流风机，进风口处温度为20℃非动态计算工况（工况1）；（2）客车上加载幅流风机，进风处温度为20℃动态计算工况（工况2）。

在安装幅流风机的2 个部位和中间部位设立3个监测面，保证检测处涉及整车客室。图5 所示为前风机截面处流场图。工况1 中，冷射流经送风口向室内扩散，而冷射流强度不足以充斥整个客室。如图5（a）所示，乘客上半身持续受到冷空气直射，会导致乘客冷感，舒适性差；加载幅流风机后，能扰动客室内流场。如图5（b）所示，幅流风机产生的扰动气流改变了原有流场，将流场“死角”减少了40%。

图5 前风机截面处流场云图Fig.5 Cloud image of flow field at front fan section

图6（a）中，冷射流因乘客和座椅的阻挡不能到达车厢中下部，不利于乘客全方位散热；在图6（b）中，流场改变明显，加载幅流风机后，通过其扰动作用，室内流场变均匀，特别是左侧下部从无风感区，平均流速升高到0.4 m/s，使得乘客大腿等下半身接触制冷量增多，换热效率提高，改善了乘客舒适性。结合国内外舒适性相关研究和我国国民温度感觉的习惯，夏季将车内平均气流控制在0.5 m/s 左右人体感觉最好[7]。图6（b）左侧经过幅流风机扰动后气流平均流速在0.5 m/s 左右，符合人体舒适性要求。

图6 中间截面处流场云图Fig.6 Cloud image of flow field at middle section

如图7 所示，后车厢截面处流场较前车厢流场均匀度提高，但工况1 车厢左侧冷空气也存在流入车厢底部冷量不足现象。在幅流风机的改进下，流场平均速度提高了0.3 m/s 左右，气流动能增大有利于车内热量散出。

图7 后风机截面处流场云图Fig.7 Cloud image of flow field at section of rear fan

图8 为客车回风口处温度云图。在提供冷量不变的前提下，废排风口处空气温度升高，原因是在幅流风机的扰动下，车厢内气流扰动变快，空气换热效果增强。废排风口左侧气温升高明显处平均温度从23℃升高到25℃，结合流场发现气流在幅流风机的扰动下，左侧气流平均风速以及能达到的范围也更大，带走热量更多，两者相吻合。

图8 废排风口处温度云图Fig.8 Cloud image of temperature at waste exhaust outlet

在前风机和后风机截面车厢处创建流场、温度场综合对比图，发现当某处区域风速越低或温度越高时，乘客整体热感觉越不好。图9 中，工况1处大面积区域风速接近于0 m/s，集中分布在25～27 ℃之间，气流不易流动区域，致使热量积聚，温度较高，使室内的沉闷感加重。工况2 处区域整体风速分布与工况1 处大致相同，但无风感区域较工况1 明显改善，在幅流风机的扰动下，车内流场流速提高。

图9 流场-温度示意图Fig.9 Schematic diagram of flow field and temperature

两截面最高温度随风机的扰动都有所降低，前风机处高温降低在0.4 ℃左右，后风机区域处降低1～2℃，后车厢区域温度降低明显，考虑到所设太阳辐射条件，太阳辐射对前车厢的影响更大，车内温度场降低0.4 ℃已是良好的效果。低温方面，在风机的扰动下，前车厢和后车厢的低温处并没有出现走低的状况，且在0.10～0.25 m/s 处温度较不加风机区域还有回升，说明在幅流风机的扰动下，气流可以把低温区域带到高温处，调节车室内温度场加速换热，但不易使乘客感觉到冷。

3.2 人体表面平均温度分析

对4 个人体模型的14 个区域进行温度监测，通过分析人体表面平均温度，监测幅流风机是否会对人体起到降温作用。

如图10 所示，不同位置的乘客，在加载幅流风机后人体绝大多数部位的温度都有所降低；其中前排乘客表面平均温度降低0.2℃。幅流风机的扰动，使得人体周围微观环境处于动态状态，气流扰动能力增强，换热能力越强，但加载幅流风机并没有使人体全部部位温度降低，各人体都出现温度并没有明显变化的部分，这是由于随着空间不断扩展，风机产生的风速衰减。

图10 乘客表面平均温度Fig.10 Average passenger surface temperature

在加载幅流风机的工况下，后排与中间排乘客的下半身表面平均温度降低幅度比其上半身表面平均温度降低的幅度大，因为这2 排乘客区域内，乘客上半身始终处在进风口处，不论是否加载幅流风机均能得到较好程度的降温，因此温度变化不大，而在工况1 下，气流难以到达乘客下半身，使得其与微观环境换热差，在加载幅流风机后，提高了其换热能力，使得乘客下半身温度降低程度变大。在幅流风机的扰动下，气流流动区域变大，可覆盖乘客全身，且流动频率加快，换热能力及范围均得到提高。

后排乘客表面平均温度比其他乘客表面温度低0.5 ℃，在加载幅流风机后，较其他乘客相比，温度降低幅度在0.1 ℃之内，降幅小，在温度较低时，并不会出现大幅度降温，与3.1 中温度、流场对比图中低温区域相符，幅流风机的扰动并不会使乘客感到过度的冷感。

4 结论

对比有无加载幅流风机的2 种工况，基于流场和温度场，利用气流组织形式、风速分布、温度变化等，得到以下结论：（1）加载幅流风机能扰动客室流场，改善流场分层现象，提高其均匀度，增强客室与外界换热能力；（2）在幅流风机的作用下，人体表面平均温度降低，在带走微观环境热量的同时，也不至使乘客感受到冷感，提高乘客舒适性。