基于热平衡模型的汽车乘员舱内温度场分析

论文摘要

随着经济和社会的发展,汽车正逐步进入人们的家庭生活,乘坐和驾驶汽车已经成为我们日常生活和工作的重要组成部分,用户对汽车乘员舱内热舒适性的要求也越来越高。相应地,各大汽车企业也加大了在这方面研究的投入。由于采用计算流体力学和计算传热学方法对乘员舱内温度场和气流组织情况进行数值仿真研究可以快速而有效地预测乘员内的热环境,近年来,越来越多的学者对如何采用数值方法预测汽车乘员舱内热舒适性进行了研究。但是由于汽车乘员舱内结构十分复杂,如何准确模拟日照热辐射模型、计算车室内热负荷、引用人体热调节模型等难题有待更好地解决。为了推进乘员舱内热舒适性的研究,本文重点针对车室内热负荷的计算和乘员舱热平衡模型的建立进行尝试。本文首先系统地介绍了乘员舱的热环境,从汽车乘员舱与外界环境的热交换方式以及传热机理对乘员舱热负荷的计算进行理论分析。目前,在进行乘员舱内热负荷计算时,为了简化计算,车身各部分均按多层均匀平壁传热考虑。这样的简化处理存在一些问题。汽车车身壁面除门窗玻璃以外,一般由外板、隔热层、内饰板组成。在这些固体层中,热量传递是靠导热。但是由于车身壁面中存在空气层,即气隙。而在气隙内则同时存在着导热、辐射换热和对流换热现象。所以只是简单地按多层均匀平壁传热来考虑,不够准确。本文将采用计算传热学对车身传热过程进行仿真计算,建立数学模型,并且将气隙中的导热、辐射换热和对流换热现象考虑进去,以求更加准确地求解乘员舱内的热负荷。将计算得出的热负荷加载到由计算流体力学理论建立的乘员舱内流场仿真模型中,进行迭代计算。这样就可以更加合理地求解出乘员舱内的温度场和气流组织情况。最后,采用理论分析、采样统计分析等工具,对乘员舱内的速度场、压力场、温度场等进行分析,对所分析车型的乘员舱内空调系统性能进行评价。结果表明,建立车身壁面传热模型的计算结果较原来只是通过经验公式计算所得结果更加准确、可靠。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 课题的研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 乘员舱热负荷计算的理论基础和研究方法
• 2.1 导热
• 2.1.1 温度场
• 2.1.2 导热基本定律
• 2.1.3 平壁稳定导热
• 2.1.4 二维稳定传热的数值解法
• 2.2 对流换热
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 影响放热系数的因素
• 2.3 辐射换热
• 2.3.1 热辐射基本概念
• 2.3.2 热辐射定律
• 2.3.3 太阳辐射
• 2.4 本章小结
• 第3章 乘员舱内温度场仿真的数值方法
• 3.1 计算流体力学基础知识
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 计算流体力学的求解过程
• 3.2 三维湍流模型
• 3.3 控制方程
• 3.3.1 质量守恒方程
• 3.3.2 动量守恒方程
• 3.3.3 能量守恒方程
• 3.3.4 流动与传热问题的控制方程
• 3.4 控制方程的离散化
• 3.4.1 常用的离散化方法
• 3.4.2 有限体积法的离散方式和表示方法
• 3.4.3 有限体积法离散的基本方程
• 3.5 湍流的数值模拟
• 3.5.1 湍流数值模拟方法
• 3.5.2 湍流模型概述
• 3.5.3 两方程模型
• 3.6 热辐射模型
• 3.6.1 热辐射总体传输方程
• 3.6.2 热辐射模式
• 3.6.3 太阳负载模型
• 3.7 本章小结
• 第4章 乘员舱内热负荷的计算
• 4.1 乘员舱的热环境
• 4.2 车身壁面的传热过程
• 4.3 壁面热阻的确定
• 4.3.1 壁面热阻的计算方法
• 4.3.2 车身壁面结构
• 4.3.3 由车身壁面传入乘员舱内的热负荷
• 4.4 通过玻璃传入乘员舱内的热负荷
• 4.5 乘员产生的热负荷
• 4.6 车内电机等造成的热负荷
• 4.7 空调热负荷
• 4.8 空调制冷量的确定
• 4.9 本章小结
• 第5章 汽车乘员舱内温度场的仿真计算
• 5.1 概述
• 5.2 数学模型的建立
• 5.2.1 模型结构
• 5.2.2 流场的离散化
• 5.3 仿真模型的建立
• 5.3.1 数值模拟方法以及计算模型的选择
• 5.3.2 边界条件
• 5.3.3 初始条件
• 5.3.4 模拟工况
• 5.4 仿真计算结果
• 5.4.1 风管流量分配
• 5.4.2 气流速度分布情况
• 5.4.3 气流温度分布情况
• 5.5 不同壁面传热系数对流场计算结果的影响
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢