《Energy Conversion and Management-X》：Application of CFD in cooling technology for automotive cabin thermal management
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本研究旨在探讨太阳辐射下汽车乘员舱的热管理问题，并优化空调（AC）策略以提升乘员舒适度。研究人员利用ANSYS Fluent建立了三维计算流体力学（CFD）模型，模拟了密封舱内在特定条件（环境温度：37°C，太阳辐射：1000 W/m2）下的瞬态和稳态热场。关
本研究旨在探讨太阳辐射下汽车乘员舱的热管理问题，并优化空调（AC）策略以提升乘员舒适度。研究人员利用ANSYS Fluent建立了三维计算流体力学（CFD）模型，模拟了密封舱内在特定条件（环境温度：37°C，太阳辐射：1000 W/m2）下的瞬态和稳态热场。关键结果表明，在太阳曝晒期间舱内温度迅速上升，物体表面温度在稳态时达到63.25°C——远超过舒适区范围。启动空调系统可显著缓解此热量积聚。通过响应面法（RSM）进行的参数分析进一步揭示，送风温度对乘员最大表面温度具有主导影响，而风速的影响相对较小。最后，在优化空调运行条件下，使用PMV-PPD模型的热舒适评估证实了乘员的不舒适感可以被有效降低。该工作为分析舱内热环境提供了一个经实验验证的基于CFD的分析框架，并为设计更高效、更舒适的汽车气候控制系统提供了实用见解。
随着汽车工业的快速发展，汽车座舱热环境对乘员舒适性、安全性乃至驾驶体验的影响日益突出。作为封闭或半封闭的受限空间，汽车乘员舱在太阳辐射下易出现强烈温室效应，导致短时间内舱内温度急剧上升。这一现象在夏季高温地区尤为显著，极高的座舱温度不仅严重影响乘员舒适性，还造成潜在的健康风险，例如热应激对驾驶员认知功能的损害。因此，汽车座舱的热管理设计已成为现代汽车设计中的关键技术挑战。
针对这一挑战，传统的研究方法通常依赖物理测试与稳态假设，这些方法不仅成本高昂、周期较长，而且难以捕捉动态传热过程和参数相互作用。近年来，计算流体力学（CFD）技术因其能够高效模拟座舱内复杂的三维瞬态热流场而得到广泛关注，但已有研究尚缺乏系统性定量分析关键空调运行参数（如送风温度和送风速度）对舱内非均匀热环境及人体热应变的影响，特别是在太阳能曝晒至空调冷却完整过程的瞬态变化方面仍存显著空白。
为填补该研究空白，研究团队利用三维CFD方法开发了高分辨率车辆乘员舱模型，结合S2S辐射模型等物理模型和完整的太阳载荷模型，模拟了封闭座舱在曝晒后的稳态热环境，以及空调启动后降温的瞬态过程。研究重点分析了空调气动力学参数（送风速度、送风温度）对人体热负荷的影响，并集成了国际标准的PMV-PPD热舒适模型进行量化评估。基于上述研究工作，研究人员提出了一种基于CFD智能控制策略框架，为汽车空调的预见性控制和高效运行提供了理论依据。
研究主要结论如下：封闭座舱在长时间太阳曝晒后的稳态条件下，模拟假人的表面温度达到63.25°C，座椅温度高达73.15°C，远对人体产生生命体征的危险阈值，而前风窗玻璃温度则稳定在69.05°C。相比之下，空调的启动可以显著改善上述显著情况，在10 m/s送风速度和10°C送风温度的运行状态下，模拟假人的最大表面温度在30 min后可降低至约42.25°C，已处于生理可承受范围。响应面法的参数化分析结果进一步表明，送风温度是影响人体表面温度的主要因素，而送风速度在此范围内的影响较小。热舒适性评估显示，空调运行可达30 min时，舱内平均PMV指标下降至1.11，对应的PPD值为12.25%，乘员主观舒适度明显改善。综合研究，通过优化空调送风参数和调节控制策略，乘员舱的瞬时高温热冲击可被有效缓解，整体热舒适水平得到显著提升。该研究为汽车座舱热管理与节能空调系统的设计提供了一套经验证的数值仿真框架和设计指导。
论文的主体内容按照以下几个部分展开：
**1. 引言与研究背景**
这段背景着重介绍了汽车舱内热管理的紧迫性和现有技术的局限性。文章指出，长时间曝晒会使座舱温度在数分钟内飙升到60°C以上，热应激与舒适性隐患使高效热管理系统成为"汽车设计的必需”。在工程设计层面引言的逻辑梳理：座舱空间、座椅系统因设计限制缺乏调节手段，因此以主动空调系统及其参数化优化为核心，需采用被动材料与主动热管理系统协同的综合设计方案。同时，常规基于物理样件的经验设计方法已无法适应高效的开发，借助CFD仿真对流动传热过程进行系统量化分析已成为必然趋势。
**2. 理论基础与数值模拟方法**
这部分详细介绍了控制流体运动的三大守恒定律（质量、动量、能量）在汽车舱内湍流流动和传热问题中的数学表达，并对基于RANS的Realizable k-ε湍流模型，以及可用于处理辐射换热的表面到表面（S2S）辐射模型的适用范围进行了阐述。研究基于CFD方法，讨论了传热与固体构件之间、流固耦合的模拟路径。同时明确介绍了用Fluent软件分析多物理场的基本过程，包括几何模型、网格划分、载荷边界条件、求解器设置及后处理，并通过网格无关性验证方法与已有文献数据进行方法论的对比验证，证明了该数值求解体系的可靠性。
**3. 阳光曝晒下的座舱温度场热特性分析**
在环境模拟中将外部环境设置为环境温度35-37°C，垂直太阳辐射强度为1000 W/m2（太阳高度角和方位角分别为75°和180°），电动汽车所静止行驶的风速设定为0 m/s。系统设置在网格无关性验证后，采用S2S辐射模型与太阳载荷模型结合，将舱内的流固交互和边界条件设置为规范化。基于仿真结果，研究揭示了瞬态分布特性：曝晒10 min时，各部位处于可接受温度水平（例如，分体式表面温度302.6 K，座椅309.0 K）；但长时间稳态模拟结果表明，曝晒达到稳态后，座椅表面和模拟员的最高温度分别可达73.15°C和63.25°C，远超人体舒适与安全极限，说明长时间静态曝晒的高热风险。
**3. 空调参数与射流流动和热场的影响**
在同样的压缩机舱环境中开启空调模式后，设定初始边界条件进行迭代模拟。结果显示：在80 m/s送风速度、10°C送风温度的条件下，人体表面最高温度由稳态的326 K快速下降，30min后可达到315.4 K（约42.25°C），表明空调回路能有效缓解乘员受到的热负荷。基于Ansys中的响应面模块(Latin Hypercube采样法)，对送风速度在2～10 m/s、送风温度在283.15～293.15 K的不同组合进行了参数化研究，并对响应面的分析进行讨论。发现收风温度对既定速度的控制下具有绝对的主导型影响，而对人员最大体表温度的影响呈典型的正相关关系；送风速度的响应敏感性相对较弱（≥5%的波动幅度），这为高效控制策略的制定提供了重点控制优先级。
**4. 智能控制策略设计**
研究基于CFD分析的结论提出多种模式层级式协调控制策略：初步多层次协调模式根据人体表面温度以及PMV指标作为的是多参数协同控制策略；在紧急划分为紧急冷却模式（PMV>1.11）或舒适维持模式（0.5
**5. 热舒适性评估与PMV-PPD模型**
为量化舱内乘客的热舒适感，研究采用国际ISO 7730标准的预测平均投票（PMV）和预测不满意百分比（PPD）作为热舒适度评价指标。不同时间点（300 s至1800 s）的仿真数据被代入PMV-PPD数学模型中，计算出各时段的动态热舒适测度值。结果表明：空调在设定的送风条件下，舱内热环境随时间持续改善，至启动加热至1800秒时，PMV降至1.11（接近“温暖”级别），PPD为12.25%。尽管以该PMV值仍未完全满足ISO 7730舒适的I级要求（-0.5≤PMV≤+0.5），但研究将这一时点视为动态冷却过程中的特征节点，旨在验证冷却曲线与系统调节的动态特性，测试动态过程的评估意义，强调是中间过渡态而非稳态舒适终点。
**结论**
经过数值分析和响应面参数优化相结合的研究，本研究提出的结论要点如下：
1. 封闭座舱在自然曝晒环境下的极限稳态热负荷显著危害乘员健康——模型稳态最大表面温度达到63.25°C，明显超过了乘员耐受的安全阈值。
2. 空调启动可以有效控制舱内热集聚，在（10 m/s, 10°C）运行条件下，30分钟内可以将最大体表温度降至约42.25°C，可接受的热安全范围。
3. 响应面分析过程表明，在给定范围内（2–10 m/s, 283.15–293.15 K）送风温度的变化是影响人体主要面部核心温度的主要控制条件，送风速度的影响相对有限（≤5%）。
4. PMV-PPD评估结果进一步证明了空调优化操作对热舒适改善的有效性：PMV随时间逐步下降，在1800秒达到1.11，PPD为12.25%仍表明约12-13%的乘客存在轻微不适，但整体热舒适性得到明显改善。
上述研究证明了验证的CFD框架在坐舱热环境评价和舒适性空调控制策略制定中具有优异的工程价值，同时为新型智能型、节能型汽车气候控制系统的开发提供了细化的参数引导和设计参考。
