乘员舱热平衡管理面临的挑战

现代豪华车的汽车内饰图像
典型乘员舱内景

乘员舱热舒适性是现代汽车设计中一个越来越重要的课题。为了对空调系统布置做出合理的决策,工程师首先需要了解主要影响乘员舱温度和湿度的传热机制。THESEUS‑FE的仿真分析通过深入了解不同环境条件、材料性能和气候作用之间的相互影响,对热管理工程师进行有力支持。只需改变少量模型参数,即可实现极端工况的仿真,如北方国家寒冷的冬日或热带地区晴朗的天气。国家或国际法规规定的标准工况也可在软件中轻松定义。

对于车内气候问题,THESEUS‑FE可以处理影响乘员舱温度和湿度的所有主要传热机制:

  • 固体零件内部的热传导
  • 表面之间的热辐射
  • 固体表面与环境或乘员舱空间之间的对流传热

THESEUS‑FE可集成至整车热管理模型

通过TISC进行THEEUS-FE和GT-SUITE耦合仿真模型准备的分步指南

THESEUS‑FE可以轻松集成到整车热仿真中。一种方法——可能是最简单的方法——是使用TLK-Thermo公司的接口软件TISC。

在THESEUS‑FE中准备模型并通过TISC与耦合软件交换数据非常简单。

通常在这种情况下,THESEUS‑FE模拟包括作用在汽车乘员舱的所有热物理影响的3D汽车模型。其中包括太阳辐射、乘员舱内的表面到表面辐射、由风和车速引起的外部对流换热等。为了加快响应时间,通常使用粗网格。然而,对于详细的分析,也可以使用具有数百万元素的典型精细网格。

乘员舱热传导

典型冬季汽车内饰的热模拟结果图像
模拟结果显示了典型的冬日工况下乘员舱内的温度分布

现代汽车的乘员舱已经能做到很好地隔热了。例如在典型的车顶断面中考虑布置多层复杂的材料。在可见的外板下面,会有多层用于隔热、隔音的材料和充满空气的空心结构。与新型高科技涂料和涂层一起,这种多层复合材料的叠加可产生较高的隔热率。汽车隔热技术的这些进步是几十年来在仿真工具支持下的研究结果。

如今,最大的热传导损失是通过窗户发生的。与此相比,乘员舱的其余部分已经高度隔热。

乘员舱热辐射

显示放在环境仓中用于模拟太阳载荷的汽车模型图像
以可控方式再现太阳辐射效应的环境仓模型
显示经过环境仓模拟后的汽车热辐射结果图像
环境仓模拟的热辐射结果

根据热辐射的波长、能量特性及其来源,可以将其分为两类。

长波热辐射 (> 2 微米)

位于红外部分的热辐射通常被称为“长波辐射”。在乘员舱内,所有部件都通过热辐射进行能量交换。温差导致净辐射热交换以达到均衡温度。除了零件之间的这种热平衡之外,寒冷的车外环境还通过长波辐射从汽车的外表面吸收能量。

短波热辐射 (< 2 微米)

在THESEUS‑FE中,位于可见光部分的热辐射被称为“短波辐射”。在车辆的热模拟中,这类辐射的来源主要是太阳或一些其它光源。太阳辐射通过窗户进入机舱,并被机舱内不透明的表面反射和吸收。在寒冷的冬季,这使得乘员舱温度升高,并减少空调系统的一些负担。正好相反的是,在炎热的夏天,空调系统必须通过加强冷却来抵消这种额外的能量输入。

为了获得尽可能接近现实的仿真结果,THESEUS‑FE使用与波长相关的辐射模型和材料属性。这种措施对车窗来说是必不可少的,因为通过玻璃传递的热辐射对乘员舱的热平衡有很大影响。

乘员舱对流换热

汽车乘员舱计算流体动力学结果的图像
CFD模拟为THESEUS‑FE热解算器提供对流边界条件

在空调系统的驱动下,乘员舱内的气流充当了各零部件之间热量转移的传输机构。专业术语叫“强制对流”。另一方面,当(浮力驱动的)气流仅通过零件温度和周围空气温差产生时,“自由对流”发生了。例如在夏季,当仪表板被太阳加热到高于乘员舱内空气温度时,就会出现这种现象。位于材料表面的热空气会因为其密度低于周围的空气而上升。为了通过仿真更准确地预测流动模式,THESEUS‑FE可以与CFD求解器进行耦合(例如Open FOAM,Star CCM+)。耦合器模块是THESEUS‑FE组件的一部分,允许用户以最简洁的形式定义和执行耦合仿真分析。

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