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机械工程硕士论文：公交客车基础模型搭建及流场仿真分析
公交客车空调风道结构优化设计
近年来，随着城市公交的兴起与迅猛发展，公共交通运营车量的数量不断增加。而由于公交客车的空调通风管道的结构、出风口布局等的过于简单甚至不合理的设计，在国内的空调公交客车中普遍存在空调出风口冷热分布不均匀等问题，车内前后温差通常会高达 5 摄氏度以上，影响车内驾乘人员的乘坐舒适性。且由于客车乘员舱内前后部乘客乘坐密度不均匀分布，对冷却气流风量的需求不同。为此，本文以某国产公交客车为研究对象，以流体仿真软件 STAR-CCM+为工具，通过仿真获取该公交客车内部流场与温度场分布情况，以乘客周围的温度与乘客舒适性为评价指标，对该车型的空调风道和风口等优化及乘客热舒适性的改进手段进行研究。
首先阐述了客车空调风道优化设计研究的背景和研究意义、研究的必要性，以及国内外的研究现状和当前研究的不足；然后介绍了流体仿真的理论基础，CFD 仿真的流程，介绍了传热学相关的理论基础；讨论了公交客车在进行车内流场及温度场仿真时，对于物理模型的选择及车身不同部分的边界条件的设置，以及面网格的划分和体网格方案等；介绍了太阳辐射模型和人体温度调节模型的原理与设置；最后针对送风温度 15 摄氏度，送风总流量为 1kg/s 的基础工况，对公交客车的内部流场和温度分布进行分析，研究表明主要问题在于车内乘客周围温度分布不均匀。基于流场分析和温度场研究，最终确定空调优化的整体方向为送风口位置和风道结构的优化。针对空调的风量和送风温度对车内温度场分布的影响设计了不同工况，由于空调送风口靠近乘员舱前部，由于距离后部较远，空调风道流动阻力的影响使得后部乘客送风口的冷却气流风量要小于前部。但后部乘客多于前部，即热源较多，因此温度较高，展现出舱内纵向的温度不均匀问题，后部需要更多的冷却气流，表明空调送风口位置与舱内实际温度集中处存在差异，是优化的重点所在。且根据横向的温度场分布，由与缺少斜向出风口，使得乘员舱内横向温度场不均匀。最后结合乘客头顶的温度分布，由于在空调总送风量 1.2kg/s，送风温度为 15℃的工况下，前部和中部的大部分乘客基本接近人体舒适温度，最终确定在此基础工况下对空调送风口、风道进行位置和结构的优化，为空调送风口和送风温度的优化研究提供了基础。针对后部乘员舱人数较多，冷却气流不足的主要问题。在基础工况的基础上，分别采用对后排增加乘客送风口、风道内添加导流板、去除风道内的加强筋等方案，为解决舱内横向的温度不均匀问题，在乘员舱后部增加了斜向的乘客送风口，提高了温度均匀性，改善了乘坐舒适性。
关键词： 公交客车，乘员舱，空调管道，结构优化，热舒适性。
1.1 研究背景及意义。
随着汽车技术的不断发展，在客车振动噪声和行驶平顺性已经得到极大优化的背景下，客车的乘坐舒适性已经成为客车性能评价的一项重要指标。随着居民生活质量要求与生活水平的提升，人们对于出行的体验感要求也逐渐变高。而作为城市交通的主力军，城市公交客车的乘坐舒适性在影响人们出行体验感和心情的同时，更加影响着乘客的身体健康。
据相关统计显示，截止到 2014 年，我国城市公共交通运营线路的总长度达 62.01万公里，公共交通运营车辆数量达 47.63 万辆，城市公共交通客运总量达 849.50 亿人次。而且城市公交近年来发展迅猛，总量每年都以 3%左右的速度上升，到 2021 年我国城市公交运营车辆预计将接近 56 万辆。由于近年来城市交通对空调公交客车的需求量逐年快速增加，而相应的对客车空调的研究不足，导致现有的城市公交客车的空调普遍存在结构设计不合理等问题。
首先，风口位置布置不合理。大多数公交车的空调回风口选择布置在车顶中间，而由于出风口也大多布置在车顶两侧，使得回风口与距离其较近的出风口之间发生气流短路。这样出风口的制冷或制热气流未经过乘员舱内有乘客的区域而直接回流到空调内，会影响空调的工作效率，进而增加了正常的能耗。同样，排风口的布置存在相似的问题，当前多数客车的排风口也布置于车顶，靠近出风口，这样就使得制冷或制热的气流未经过乘员舱下方就已经排除车内，大大降低了空调的效果。
其次，风量分配不合理，由于目前客车空调多采用等截面的出风口，空调一般布置在车身前后方向的中间，乘员舱内靠近车头和车尾的部分由于距离空调较远，风道的压力损失较高，造成空调风量分配的不均匀。但在夏季制冷工况下，由于车尾部的乘客距离发动机舱较近，且后侧乘客较多且密集，需要更多的风量来制冷，因此单一的出风口设计已经不满足公交客车舱内温度分布的实际需求。
通过以上的叙述，显然由于空调风口位置布置不合理、风量分配单一等问题导致的车内空气质量下降、温度分布不均匀引起乘客乘坐环境不舒适、空调工作效率低进而增加能耗等一系列问题，不仅影响了乘客或消费者对公交客车性能的评价，更加影响了乘客的身心健康和汽车的能源消耗。
且由于在试验中对空调系统进行改型或结构改造存在成本较高、过程复杂、优化时间长等问题，而通过流体仿真软件可以快速的对客车乘员舱内的基本流场和温度场分布进行预测，分析空调结构设计的不合理性。进而根据分析结果，提出改进方案，以优化流场和温度场分布，提高空调工作效率、降低能耗，改善乘员舱内的乘坐环境和乘坐舒适性，为客车空调设计提供参考，因此具有重要意义。
1.2 国外研究现状。
国外采用 CFD 仿真等对汽车空调系统管道流场和温度场进行仿真，分析乘员热舒适性，并进行空调风道结构等优化起步较早，研究相对系统、完善。起亚汽车公司的Min-Ho Kim，对某中型客车的两个简化空调风管进行了数值模拟。采用三维纳维-斯托克斯方程，根据截面风道面积和扩压器面积的变化，对各扩压器的整体压力、速度场等进行了计算。此外，建立了一个基于伯努利方程的一维程序，得到了平衡各出口流量所需的最优扩散器面积。并将实验测量和 CFD 模拟结果进行了比较。实验分析证实，按照优化设计建造的风管在各出口均能产生均匀分布的流量，在正负 9%范围内。
其开发的简单方便的一维分析技术可作为空调风管设计的实用工具。
计算流体力学（CFD）是一门综合数值理论与流体力学的新兴学科，旨在借助计算机技术，通过数值离散的方法将时间和空间上连续的物理场等效为有限数量的离散变量值的组合，以特定原理或方法为依据，构建能表征离散点上各变量之间关系的控制方程，最后通过方程组的求解，得到物理场的近似结果，为流体流动、热量传递等物理现象的分析提供借鉴和参考（王福军．计算流体动力学分析-CFD 软件原理及应用[M].清华大学出版社，2004．）。维斯瓦拉亚国家理工学院机械工程系的 Sanjay K.
试图通过对 CFD 在以空气为工作流体的管道和太阳能空气加热器流动分析中进行详细的分析。通过 CFD 分析得到的结果表明，计算结果与实验结果吻合较好，这为类似的研究提供了一个用于预测传热和流体流动过程的行为和性能的工具。模型建立、网格划分和合适湍流模型的选择在 CFD 分析中起着重要作用。
1.3 国内研究现状。
对于空调系统的开发，过去国内大多数汽车企业当主要是靠试验手段来进行，而由于公交客车的体积较大，合适的试验环境舱国内资源较为缺乏，因此空调的降温测试一般只能选择在夏季进行，因此通过试验手段开发空调的降温性能仍具有很大的局限性。由于试验手段研究的局限性，通过仿真解决当前公交客车上普遍存在的空调功率匹配不当、出风口位置及出风角度不合理、风道设计不合理以及乘员舱内风量分配不均匀等问题，仍然离不开内流场与温度场的仿真。近年来，随着数值仿真方法和湍流模型的逐步完善以及高性能计算机解决大型算例运算能力的逐步提高，在仿真精度提高的同时，汽车热舒适性的开发逐步实现流程化和简单化。因此，通过仿真实现客车空调风道的设计已经成为车型开发流程中主要的研究手段，可以大大缩减开发周期，节约研发成本。
南京理工大学谢青松[60]，针对公交车空调风道中存在的气流组织不合理、空调风道设计的问题采用数值模拟与理论计算结合的方式，分析了空调风道及其气流组织等特性，并提出了相应的优化措施。首先，其在理论计算方面，针对夏季制冷工况下的冷负荷和风量进行了计算，参考室内舒适性设计参数，根据自由射流理论计算除了空调送风参数。在数值仿真中，利用三维建模建立了空调改型前后的 CFD 几何模型，并在 FLUENT 中利用标准 k-ε湍流模型对空调风道及乘员舱内流场进行仿真分析，得到车内的流场分布，并提出优化。改进后使得车内的气流组织方式更加合理，避免了气流短路问题，减少了能量消耗，改善了乘坐舒适性。湖南大学谷正气[32]
等人，针对某一乘用车型同样利用流体软件 FLUENT 对空调风道的内流场进行数值仿真,通过对标试验，得出车内驾驶员侧的空调出风口的风量偏小,即驾驶员位置的乘坐热舒适性较差。为了改进设计，在空调风道内合适的位置添加导流板，把导流板的尺寸作为响应面方法的设计变量，设计目标设定为驾驶员一侧的出风量与空调总的风量的比值，并进行寻优设计。最终改进后使得车内空调在驾驶员侧的出风量比例提高了 4.6%，驾驶员的热舒适性得到大幅改善；吉林大学南晓峰[14]，以宇通客车某款 12 米公路空调客车作为研究对象，采用可实现 k-ε湍流模型，以及 SIMPLE 算法对车室内流场、温度场进行数值模拟。其中使用的边界条件等数据均来源于实车的测试，几何模型与实物一致。并通过实验结果验证了 CFD 仿真结果的准确性及仿真方法的可行性。后结合工程中经常遇到的问题，分别研究了空调风道的截面、空调的位置、风道中的导流板、出风口的布置等等因素对车内气流的均匀性和温度场分布的影响。北京交通大学刘奕江[47]，使用 Airpak 软件对某高速列车进行建模，在计算车厢内的空气速度场、温度场分布时，在仿真算例中简单涉及了太阳辐射和人体散射。然后计算出车厢内人体每个部位的 PMV 值，分析了人体不同部位对车内温度分布的影响，考量乘客热舒适性。华南理工大学吴志武[44]，采用流体仿真软件 FLUENT 针对某款皮卡车内的热舒适性进行研究。采用 RNG k-ε湍流模型和 S2S 热辐射模型对皮卡车室内的流场进行数值模拟。并采用后处理软件 Tecplot 对仿真结果中速度场进行可视化处理和流场特性分析。最后，采用 PMV 等指标评价了车内乘员的热舒适性。
第 6 章 总结
本文结合国内城市公交客车空调普遍存在的乘员舱内温度均匀性差问题，经过对选取的公交客车基础模型的几何清理、网格划分及计算流体力学仿真等工作，分析客车乘员舱内的流场和温度场分布。研究结果表明该公交车确实存在的空调风量分配不合理、温度场分布不均等问题。并结合流场分析，对空调原有的风口位置、风道结构等进行了优化和再设计。最终改进的各个方案均改善了乘员舱内的流动和温度场分布，提高了客车的乘坐舒适性，对公交客车的气流组织和空调设计具有参考意义。
首先，阐述了客车空调风道优化设计研究的背景和研究意义，说明了研究的必要性。并介绍了国内外学者、工程师等对空调结构设计优化的研究现状，以及当前已有研究的不足之处，最后介绍了本文研究的主要内容。
其次，介绍了流体仿真的理论基础，包括从几何建模到进行 CFD 仿真的整个流程，及质量守恒、能量守恒、动量守恒的三大方程，和模拟湍流流动所必须的湍流模型的分类。然后在此基础上，介绍了传热学相关的理论基础，包括热传导、热对流和热辐射客车实际运行中热场相关的三个传热物理现象。最后介绍了人体体温的自动调节功能，考虑的人体的代谢率、蒸发等对人体和车内温度的影响。
再次，介绍了公交客车在进行车内流场及温度场仿真时，对于物理模型的选择及车身不同部分的边界条件的设置，以及面网格的划分和体网格方案等；其次讲述了太阳辐射模型和人体温度调节模型的原理与设置；最后针对送风温度 15 摄氏度，送风总流量为 1kg/s 的基础工况，对公交客车的内流场和温度分布进行分析，发现主要矛盾为车内乘客周围温度分布不均匀。经过研究和分析，最终确定空调优化的整体方向为送风口位置和风道结构的优化。
接下来，针对空调的风量和送风温度对车内温度场分布的影响设计了不同工况，由于空调送风口靠近乘员舱前部，由于距离后部较远，空调风道流动阻力的影响使得后部乘客送风口的冷却气流风量要小于前部。且后部乘客本身在数量上多于前部，即热源较多，因此温度较高，从而导致舱内纵向的温度分布不均匀，乘员舱后部需要更多的冷却气流，是优化的重点。且根据横向的温度场分布，由于缺少斜向出风口，使得乘员舱内横向温度场均匀性较差。最后结合乘客头顶的温度分布，由于在空调总送风量 1.2kg/s，送风温度为 15℃的工况下，前部和中部的大部分乘客基本接近人体舒适温度，最终确定在此基础工况下对空调送风口、风道进行位置和结构的优化，为空调送风口和送风温度的优化研究提供了基础。
最后，针对后部乘员舱人数较多，冷却气流不足的主要问题。在基础工况的基础上，分别采用对后排增加乘客送风口、风道内添加导流板、去除风道内的加强筋等方案，为解决舱内横向的温度不均匀问题，在乘员舱后部增加了斜向的乘客送风口，提高了温度均匀性，改善了乘坐舒适性。
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