本文是一篇機械論文，本文結合國內城市公交客車空調普遍存在的乘員艙內溫度均勻性差問題，經過對選取的公交客車基礎模型的幾何清理、網格劃分及計算流體力學仿真等工作，分析客車乘員艙內的流場和溫度場分布。研究結果表明該公交車確實存在的空調風量分配不合理、溫度場分布不均等問題。並結合流場分析，對空調原有的風口位置、風道結構等進行了優化和再設計。最終改進的各個方案均改善了乘員艙內的流動和溫度場分布，提高了客車的乘坐舒適性，對公交客車的氣流組織和空調設計具有參考意義。
第 1 章 緒論
1.1 研究背景及意義
隨著汽車技術的不斷發展，在客車振動噪聲和行駛平順性已經得到極大優化的背景下，客車的乘坐舒適性已經成為客車性能評價的一項重要指標。隨著居民生活質量要求與生活水平的提升，人們對於出行的體驗感要求也逐漸變高。而作為城市交通的主力軍，城市公交客車的乘坐舒適性在影響人們出行體驗感和心情的同時，更加影響著乘客的身體健康。
據相關統計顯示，截止到 2014 年，我國城市公共運輸運營線路的總長度達 62.01萬公里，公共運輸運營車輛數量達 47.63 萬輛，城市公共運輸客運總量達 849.50 億人次。而且城市公交近年來發展迅猛，總量每年都以 3%左右的速度上升，到 2021 年我國城市公交運營車輛預計將接近 56 萬輛。由於近年來城市交通對空調公交客車的需求量逐年快速增加，而相應的對客車空調的研究不足，導致現有的城市公交客車的空調普遍存在結構設計不合理等問題。
首先，風口位置布置不合理。大多數公交車的空調迴風口選擇布置在車頂中間，而由於出風口也大多布置在車頂兩側，使得迴風口與距離其較近的出風口之間發生氣流短路。這樣出風口的製冷或制熱氣流未經過乘員艙內有乘客的區域而直接回流到空調內，會影響空調的工作效率，進而增加了正常的能耗。同樣，排風口的布置存在相似的問題，當前多數客車的排風口也布置於車頂，靠近出風口，這樣就使得製冷或制熱的氣流未經過乘員艙下方就已經排除車內，大大降低了空調的效果。
其次，風量分配不合理，由於目前客車空調多採用等截面的出風口，空調一般布置在車身前後方向的中間，乘員艙內靠近車頭和車尾的部分由於距離空調較遠，風道的壓力損失較高，造成空調風量分配的不均勻。但在夏季製冷工況下，由於車尾部的乘客距離發動機艙較近，且後側乘客較多且密集，需要更多的風量來製冷，因此單一的出風口設計已經不滿足公交客車艙內溫度分布的實際需求。
通過以上的敘述，顯然由於空調風口位置布置不合理、風量分配單一等問題導致的車內空氣品質下降、溫度分布不均勻引起乘客乘坐環境不舒適、空調工作效率低進而增加能耗等一系列問題，不僅影響了乘客或消費者對公交客車性能的評價，更加影響了乘客的身心健康和汽車的能源消耗。
...........................
1.2 國外研究現狀
國外採用 CFD 仿真等對汽車空調系統管道流場和溫度場進行仿真，分析乘員熱舒適性，並進行空調風道結構等優化起步較早，研究相對系統、完善。起亞汽車公司的Min-Ho Kim，對某中型客車的兩個簡化空調風管進行了數值模擬。採用三維納維-斯托克斯方程，根據截面風道面積和擴壓器面積的變化，對各擴壓器的整體壓力、速度場等進行了計算。此外，建立了一個基於伯努利方程的一維程序，得到了平衡各出口流量所需的最優擴散器面積。並將實驗測量和 CFD 模擬結果進行了比較。實驗分析證實，按照優化設計建造的風管在各出口均能產生均勻分布的流量，在正負 9%範圍內。其開發的簡單方便的一維分析技術可作為空調風管設計的實用工具。
計算流體力學（CFD）是一門綜合數值理論與流體力學的新興學科，旨在藉助計算機技術，通過數值離散的方法將時間和空間上連續的物理場等效為有限數量的離散變量值的組合，以特定原理或方法為依據，構建能表征離散點上各變量之間關係的控制方程，最後通過方程組的求解，得到物理場的近似結果，為流體流動、熱量傳遞等物理現象的分析提供借鑑和參考（王福軍．計算流體動力學分析-CFD 軟體原理及應用[M].清華大學出版社，2004．）。維斯瓦拉亞國家理工學院機械工程系的 Sanjay K.試圖通過對 CFD 在以空氣為工作流體的管道和太陽能空氣加熱器流動分析中進行詳細的分析。通過 CFD 分析得到的結果表明，計算結果與實驗結果吻合較好，這為類似的研究提供了一個用於預測傳熱和流體流動過程的行為和性能的工具。模型建立、網格劃分和合適湍流模型的選擇在 CFD 分析中起著重要作用。
............................
第 2 章 內流場數值模擬與傳熱學理論
2.1 流場仿真理論
2.1.1 仿真流程
通過數值方法求解流體力學的控制方程是流體力學仿真的根本，用離散的方式來定量描述流場的分布，從而研究立體運動規律、傳熱傳質及相關現象的學科。本文研究問題中涉及穩態三維不可壓的流動仿真，首先要對客車的幾何模型進行清理和簡化，並搭建流體仿真必須的網格模型。其次本文中選擇有限體積法對方程進行離散，而由於涉及到傳熱，因此控制方程中涉及了質量守恆、動量守恆及能量守恆等定律。其一般步驟為：
（1）對研究對象幾何建模（2）幾何離散化即網格劃分（3）控制方程的選擇（4）指定邊界條件與初始條件（5）求解與監視量設置（6）運行計算與後處理
其 CFD 仿真的詳細流程如圖所示：
..........................
2.2 傳熱學理論
對於公交客車來說，夏季行車過程中，對車內溫度分布影響的因素有很多。夏季車外高氣溫環境、太陽高強度的暴曬、暴曬下高溫的公路地面、車內乘客體溫以及車內空調的調節功能等都會對車內溫度環境造成影響。而總結來說，這些溫度從這些熱源或者製冷源傳遞到車內空氣介質主要通過三種方式：熱對流、熱輻射和熱傳導。其中熱傳導是由於微觀粒子熱運動引起的，溫度越高微觀粒子運動越劇烈，從而帶動其周圍的粒子同樣劇烈的運動，從而實現熱傳導，例如暴曬下的車身，乘客用手觸摸感覺到燙手就是熱傳導的過程。而熱對流是由於流體中宏觀運動的相互摻混而發生，熱輻射則是以電磁波的形式傳熱。在現實生活中，這是三種熱傳遞的現象往往不會單一的出現，而是經常同時發生在某一環境中。
.........................
第 3 章 公交客車基礎模型搭建及流場仿真分析........................................15
3.1 公交客車模型................................15
3.1.1 客車幾何模型....................................15
3.1.2 拓撲搭建與網格劃分................................16
第 4 章 送風溫度與風量匹配.......................................27
4.1 不同送風溫度的結果分析................................27
4.2 不同送風量的結果分析..............................30
4.3 本章小結.....................................32
第 5 章 空調的優化設計...............................35
5.1 風口優化設計.................................35
5.1.1 風口間距優化.........................35
5.1.2 風口出風角度優化..............................37
第 5 章 空調的優化設計
5.1 風口優化設計
5.1.1 風口間距優化
如圖 5.1 所示，按前後位置和座椅的種類，將乘員艙分為前部、中部和後部，其中前部和中部乘客均為單排座椅，每個座椅只能容納一位乘客，乘客密度較小。 而後部乘客為雙排座椅，乘客密度較大，散熱要求高，需要較多的冷卻氣流。如圖 5.2 所示，在基礎模型中，乘客頭頂上方的送風口為等間距分布，風口之間的距離為 650mm，這樣就與客車乘員艙內前後乘客密度不同的情況不符，不能為每位乘客提供等量的冷卻氣流，即不能滿足乘客熱舒適性的要求。因此，為增加後部乘員艙的冷卻風量，需要在原來的基礎上增加風口的密度。本節中在基礎模型艙內後部每兩個風口之間增加一個風口，即風口間距減少為 325mm。
..........................
第 6 章 總結與展望
6.1 全文總結
本文結合國內城市公交客車空調普遍存在的乘員艙內溫度均勻性差問題，經過對選取的公交客車基礎模型的幾何清理、網格劃分及計算流體力學仿真等工作，分析客車乘員艙內的流場和溫度場分布。研究結果表明該公交車確實存在的空調風量分配不合理、溫度場分布不均等問題。並結合流場分析，對空調原有的風口位置、風道結構等進行了優化和再設計。最終改進的各個方案均改善了乘員艙內的流動和溫度場分布，提高了客車的乘坐舒適性，對公交客車的氣流組織和空調設計具有參考意義。
首先，闡述了客車空調風道優化設計研究的背景和研究意義，說明了研究的必要性。並介紹了國內外學者、工程師等對空調結構設計優化的研究現狀，以及當前已有研究的不足之處，最後介紹了本文研究的主要內容。
再次，介紹了公交客車在進行車內流場及溫度場仿真時，對於物理模型的選擇及車身不同部分的邊界條件的設置，以及面網格的劃分和體網格方案等；其次講述了太陽輻射模型和人體溫度調節模型的原理與設置；最後針對送風溫度 15 攝氏度，送風總流量為 1kg/s 的基礎工況，對公交客車的內流場和溫度分布進行分析，發現主要矛盾為車內乘客周圍溫度分布不均勻。經過研究和分析，最終確定空調優化的整體方向為送風口位置和風道結構的優化。
接下來，針對空調的風量和送風溫度對車內溫度場分布的影響設計了不同工況，由於空調送風口靠近乘員艙前部，由於距離後部較遠，空調風道流動阻力的影響使得後部乘客送風口的冷卻氣流風量要小於前部。且後部乘客本身在數量上多於前部，即熱源較多，因此溫度較高，從而導致艙內縱向的溫度分布不均勻，乘員艙後部需要更多的冷卻氣流，是優化的重點。且根據橫向的溫度場分布，由於缺少斜向出風口，使得乘員艙內橫向溫度場均勻性較差。最後結合乘客頭頂的溫度分布，由於在空調總送風量 1.2kg/s，送風溫度為 15℃的工況下，前部和中部的大部分乘客基本接近人體舒適溫度，最終確定在此基礎工況下對空調送風口、風道進行位置和結構的優化，為空調送風口和送風溫度的優化研究提供了基礎。
最後，針對後部乘員艙人數較多，冷卻氣流不足的主要問題。在基礎工況的基礎上，分別採用對後排增加乘客送風口、風道內添加導流板、去除風道內的加強筋等方案，為解決艙內橫向的溫度不均勻問題，在乘員艙後部增加了斜向的乘客送風口，提高了溫度均勻性，改善了乘坐舒適性。
參考文獻（略）
第 1 章 緒論
1.1 研究背景及意義
隨著汽車技術的不斷發展，在客車振動噪聲和行駛平順性已經得到極大優化的背景下，客車的乘坐舒適性已經成為客車性能評價的一項重要指標。隨著居民生活質量要求與生活水平的提升，人們對於出行的體驗感要求也逐漸變高。而作為城市交通的主力軍，城市公交客車的乘坐舒適性在影響人們出行體驗感和心情的同時，更加影響著乘客的身體健康。
據相關統計顯示，截止到 2014 年，我國城市公共運輸運營線路的總長度達 62.01萬公里，公共運輸運營車輛數量達 47.63 萬輛，城市公共運輸客運總量達 849.50 億人次。而且城市公交近年來發展迅猛，總量每年都以 3%左右的速度上升，到 2021 年我國城市公交運營車輛預計將接近 56 萬輛。由於近年來城市交通對空調公交客車的需求量逐年快速增加，而相應的對客車空調的研究不足，導致現有的城市公交客車的空調普遍存在結構設計不合理等問題。
首先，風口位置布置不合理。大多數公交車的空調迴風口選擇布置在車頂中間，而由於出風口也大多布置在車頂兩側，使得迴風口與距離其較近的出風口之間發生氣流短路。這樣出風口的製冷或制熱氣流未經過乘員艙內有乘客的區域而直接回流到空調內，會影響空調的工作效率，進而增加了正常的能耗。同樣，排風口的布置存在相似的問題，當前多數客車的排風口也布置於車頂，靠近出風口，這樣就使得製冷或制熱的氣流未經過乘員艙下方就已經排除車內，大大降低了空調的效果。
其次，風量分配不合理，由於目前客車空調多採用等截面的出風口，空調一般布置在車身前後方向的中間，乘員艙內靠近車頭和車尾的部分由於距離空調較遠，風道的壓力損失較高，造成空調風量分配的不均勻。但在夏季製冷工況下，由於車尾部的乘客距離發動機艙較近，且後側乘客較多且密集，需要更多的風量來製冷，因此單一的出風口設計已經不滿足公交客車艙內溫度分布的實際需求。
通過以上的敘述，顯然由於空調風口位置布置不合理、風量分配單一等問題導致的車內空氣品質下降、溫度分布不均勻引起乘客乘坐環境不舒適、空調工作效率低進而增加能耗等一系列問題，不僅影響了乘客或消費者對公交客車性能的評價，更加影響了乘客的身心健康和汽車的能源消耗。
...........................
1.2 國外研究現狀
國外採用 CFD 仿真等對汽車空調系統管道流場和溫度場進行仿真，分析乘員熱舒適性，並進行空調風道結構等優化起步較早，研究相對系統、完善。起亞汽車公司的Min-Ho Kim，對某中型客車的兩個簡化空調風管進行了數值模擬。採用三維納維-斯托克斯方程，根據截面風道面積和擴壓器面積的變化，對各擴壓器的整體壓力、速度場等進行了計算。此外，建立了一個基於伯努利方程的一維程序，得到了平衡各出口流量所需的最優擴散器面積。並將實驗測量和 CFD 模擬結果進行了比較。實驗分析證實，按照優化設計建造的風管在各出口均能產生均勻分布的流量，在正負 9%範圍內。其開發的簡單方便的一維分析技術可作為空調風管設計的實用工具。
計算流體力學（CFD）是一門綜合數值理論與流體力學的新興學科，旨在藉助計算機技術，通過數值離散的方法將時間和空間上連續的物理場等效為有限數量的離散變量值的組合，以特定原理或方法為依據，構建能表征離散點上各變量之間關係的控制方程，最後通過方程組的求解，得到物理場的近似結果，為流體流動、熱量傳遞等物理現象的分析提供借鑑和參考（王福軍．計算流體動力學分析-CFD 軟體原理及應用[M].清華大學出版社，2004．）。維斯瓦拉亞國家理工學院機械工程系的 Sanjay K.試圖通過對 CFD 在以空氣為工作流體的管道和太陽能空氣加熱器流動分析中進行詳細的分析。通過 CFD 分析得到的結果表明，計算結果與實驗結果吻合較好，這為類似的研究提供了一個用於預測傳熱和流體流動過程的行為和性能的工具。模型建立、網格劃分和合適湍流模型的選擇在 CFD 分析中起著重要作用。
............................
第 2 章 內流場數值模擬與傳熱學理論
2.1 流場仿真理論
2.1.1 仿真流程
通過數值方法求解流體力學的控制方程是流體力學仿真的根本，用離散的方式來定量描述流場的分布，從而研究立體運動規律、傳熱傳質及相關現象的學科。本文研究問題中涉及穩態三維不可壓的流動仿真，首先要對客車的幾何模型進行清理和簡化，並搭建流體仿真必須的網格模型。其次本文中選擇有限體積法對方程進行離散，而由於涉及到傳熱，因此控制方程中涉及了質量守恆、動量守恆及能量守恆等定律。其一般步驟為：
（1）對研究對象幾何建模（2）幾何離散化即網格劃分（3）控制方程的選擇（4）指定邊界條件與初始條件（5）求解與監視量設置（6）運行計算與後處理
其 CFD 仿真的詳細流程如圖所示：
..........................
2.2 傳熱學理論
對於公交客車來說，夏季行車過程中，對車內溫度分布影響的因素有很多。夏季車外高氣溫環境、太陽高強度的暴曬、暴曬下高溫的公路地面、車內乘客體溫以及車內空調的調節功能等都會對車內溫度環境造成影響。而總結來說，這些溫度從這些熱源或者製冷源傳遞到車內空氣介質主要通過三種方式：熱對流、熱輻射和熱傳導。其中熱傳導是由於微觀粒子熱運動引起的，溫度越高微觀粒子運動越劇烈，從而帶動其周圍的粒子同樣劇烈的運動，從而實現熱傳導，例如暴曬下的車身，乘客用手觸摸感覺到燙手就是熱傳導的過程。而熱對流是由於流體中宏觀運動的相互摻混而發生，熱輻射則是以電磁波的形式傳熱。在現實生活中，這是三種熱傳遞的現象往往不會單一的出現，而是經常同時發生在某一環境中。
.........................
第 3 章 公交客車基礎模型搭建及流場仿真分析........................................15
3.1 公交客車模型................................15
3.1.1 客車幾何模型....................................15
3.1.2 拓撲搭建與網格劃分................................16
第 4 章 送風溫度與風量匹配.......................................27
4.1 不同送風溫度的結果分析................................27
4.2 不同送風量的結果分析..............................30
4.3 本章小結.....................................32
第 5 章 空調的優化設計...............................35
5.1 風口優化設計.................................35
5.1.1 風口間距優化.........................35
5.1.2 風口出風角度優化..............................37
第 5 章 空調的優化設計
5.1 風口優化設計
5.1.1 風口間距優化
如圖 5.1 所示，按前後位置和座椅的種類，將乘員艙分為前部、中部和後部，其中前部和中部乘客均為單排座椅，每個座椅只能容納一位乘客，乘客密度較小。 而後部乘客為雙排座椅，乘客密度較大，散熱要求高，需要較多的冷卻氣流。如圖 5.2 所示，在基礎模型中，乘客頭頂上方的送風口為等間距分布，風口之間的距離為 650mm，這樣就與客車乘員艙內前後乘客密度不同的情況不符，不能為每位乘客提供等量的冷卻氣流，即不能滿足乘客熱舒適性的要求。因此，為增加後部乘員艙的冷卻風量，需要在原來的基礎上增加風口的密度。本節中在基礎模型艙內後部每兩個風口之間增加一個風口，即風口間距減少為 325mm。
..........................
第 6 章 總結與展望
6.1 全文總結
本文結合國內城市公交客車空調普遍存在的乘員艙內溫度均勻性差問題，經過對選取的公交客車基礎模型的幾何清理、網格劃分及計算流體力學仿真等工作，分析客車乘員艙內的流場和溫度場分布。研究結果表明該公交車確實存在的空調風量分配不合理、溫度場分布不均等問題。並結合流場分析，對空調原有的風口位置、風道結構等進行了優化和再設計。最終改進的各個方案均改善了乘員艙內的流動和溫度場分布，提高了客車的乘坐舒適性，對公交客車的氣流組織和空調設計具有參考意義。
首先，闡述了客車空調風道優化設計研究的背景和研究意義，說明了研究的必要性。並介紹了國內外學者、工程師等對空調結構設計優化的研究現狀，以及當前已有研究的不足之處，最後介紹了本文研究的主要內容。
再次，介紹了公交客車在進行車內流場及溫度場仿真時，對於物理模型的選擇及車身不同部分的邊界條件的設置，以及面網格的劃分和體網格方案等；其次講述了太陽輻射模型和人體溫度調節模型的原理與設置；最後針對送風溫度 15 攝氏度，送風總流量為 1kg/s 的基礎工況，對公交客車的內流場和溫度分布進行分析，發現主要矛盾為車內乘客周圍溫度分布不均勻。經過研究和分析，最終確定空調優化的整體方向為送風口位置和風道結構的優化。
接下來，針對空調的風量和送風溫度對車內溫度場分布的影響設計了不同工況，由於空調送風口靠近乘員艙前部，由於距離後部較遠，空調風道流動阻力的影響使得後部乘客送風口的冷卻氣流風量要小於前部。且後部乘客本身在數量上多於前部，即熱源較多，因此溫度較高，從而導致艙內縱向的溫度分布不均勻，乘員艙後部需要更多的冷卻氣流，是優化的重點。且根據橫向的溫度場分布，由於缺少斜向出風口，使得乘員艙內橫向溫度場均勻性較差。最後結合乘客頭頂的溫度分布，由於在空調總送風量 1.2kg/s，送風溫度為 15℃的工況下，前部和中部的大部分乘客基本接近人體舒適溫度，最終確定在此基礎工況下對空調送風口、風道進行位置和結構的優化，為空調送風口和送風溫度的優化研究提供了基礎。
最後，針對後部乘員艙人數較多，冷卻氣流不足的主要問題。在基礎工況的基礎上，分別採用對後排增加乘客送風口、風道內添加導流板、去除風道內的加強筋等方案，為解決艙內橫向的溫度不均勻問題，在乘員艙後部增加了斜向的乘客送風口，提高了溫度均勻性，改善了乘坐舒適性。
參考文獻（略）
收藏