![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
壁面热辐射对车内温度场影响的分析.pdf
《壁面热辐射对车内温度场影响的分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《壁面热辐射对车内温度场影响的分析.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、壁面热辐射对车内温度场影响的分析李琳睿1,孙晓霞2,王一凡1,康慧芳1,沈俊1(1.北京理工大学 机械与车辆学院,北京100081;2.中国北方车辆研究所,北京100072)摘 要:高原地区空气稀薄,空气导热和对流换热降低,而辐射换热增强.文中通过数值模拟的方法研究了中国高原地区夏季条件下汽车壁面热辐射对整车温度场的影响.应用整体求解法从瞬态和稳态两种角度讨论了车内热辐射对温度场的影响并与平原情况作对比.结果表明在高原地区,考虑壁面辐射的车内空气整体平均温度比不考虑壁面辐射的低 8.93 K,稳态时车身的总传热量中的辐射传热占比为 41.16%,前玻璃的辐射传热的占比为 23.59%,后玻璃的
2、占比为 35.94%,发动机罩的为 29.91%,椅子为 61.96%.因此,在高原地区,固体壁面的辐射换热是一种重要换热形式,不可被忽略.关键词:高原地区;壁面间热辐射;数值模拟;温度场中图分类号:TK123 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2024)01-0060-09DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2023.028Effect of Wall Thermal Radiation on Temperature Field of a VehicleLI Linrui1,SUN Xiaoxia2,WANG Yifan1,KANG Huifang1,SHE
3、N Jun1(1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.China North Vehicle Research Institute,Beijing 100072,China)Abstract:In the highlands,thin air can reduce air conduction and convective heat transfer and increase radiativeheat transfer.In this work,a nu
4、merical simulation was used to study the effect of heat radiation from the wall of avehicle on the temperature field of the whole vehicle,especially under summer conditions in the highlands ofChina.Firstly,considering the influence of solar radiation and applying integral solution method,the conjuga
5、teheat transfer problem was calculated.And then,from both transient and steady-state perspectives.the effect wasdiscussed for heat radiation of a vehicle to the temperature field of the whole vehicle,comparing with the situ-ation of plain areas.The results show that for high altitude areas,the avera
6、ge temperature of the air in the carwith wall radiation is 8.93K lower than that without wall radiation.In steady-state generally,the radiant heattransfer of the body accounts for 41.16%in the total send heat of the body.In the radiant heat transfer,the frontwindscreen,rear windscreen,engine hood,an
7、d seats account for 23.59%,35.94%,29.91%and 61.96%,respect-ively.Therefore,wall thermal radiation of a vehicle is an important form of heat transfer in high altitude regions.Key words:high altitude area;thermal radiation;numerical simulation;temperature field 随着经济与科技发展,汽车产业也蓬勃向前.汽车的大量使用对环境产生了有害影响.由于
8、碳中和的迫切需要,在车辆设计中除了热舒适性外还必须考虑能源效率1.在高原地区,高海拔和稀薄的空气导致强烈的局部太阳辐射,而强烈太阳辐射和车壁辐射引起的温度不均对车内空气温度和流场产生一定影响,还会影响汽车部件的使用寿命,增加汽车制冷系统的能源消耗,影响汽车的燃油经济性和节能减排效果.因此考虑热辐射的车内热环境研究对于实现科学的汽车热管理、合理利用能源有着深远意义.热辐射是一种物体因具有温度而辐射电磁波的 收稿日期:2023 02 17基金项目:国家自然科学基金资助项目(51705480,52275047,51925605)作者简介:李琳睿(1999),女,博士生,E-mail:.第 44 卷第
9、 1 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.44No.12024 年 1 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyJan.2024现象.辐射传热(radiant heat transfer,RHT)对热能工程中的整体传热有重大影响,在电子元件热管理、航天航空和建筑暖通等领域都占据十分重要的位置.前人对热辐射相关问题进行了诸多研究,比如 RAJU等2研究了纳米流体在热辐射作用下通过矩形挤压通道的强化传热问题,发现 Ec 和 Pr 对机油的传热有增强作用,并发现在 S0 时热辐射降低了流体的温度.MEZHRAB 等3采用有限容积法对矩形封闭
10、空间进行了传热分析,结果显示表面辐射使努塞尔数增大 4 倍,并降低了固体表面温度.訚耀保等4发现热辐射对航空伺服作动器的温度影响很大,当某机闸温度升了高 100 C 时,左、右两侧缸筒温度升高约40 C.热 辐 射 的 基 本 理 论 在 20 世 纪 被 广 泛 研 究.HOWELL 等5 的相关理论解释了热辐射的相关性质并推导出 RHT 方程.在研究中最常用的热辐射方法如下:蒙特卡罗法(MCM),球面近似法(PN)和离散坐标法(DOM).在 PN 方法中,辐射函数被扩展为一系列球面谐波函数,RHT 方程通过正交性转换为简单方程.这种方法计算成本略低,但在某些情况下可能会高估 RHT 并失去
11、准确性6.MCM 法计算负载小,可以精确处理光谱特性、非均匀介质和各向异性色散7,但模型的非确定性会导致稳定性问题.在 DOM方法中,方程沿着有限数量的方向离散化并给出非常精确的结果,但其准确性在很大程度上取决于正交方案,对计算的要求很高8.此外,MISHRA 等9也将格玻尔兹曼法应用于辐射传热问题.关于车内热环境的相关问题,前人进行了许多研究.LEE 等10研究了光谱效应对汽车温度和流场的影响.研究结果表明,前排座椅附近的气流发生强烈偏转,当考虑光谱效应时,透射率和反射率的光谱变化使舱内温度升高约 3K.BEHI 等11提出了一种混合热管理概念,比较了自然风冷和强制风冷技术,结果显示用于强制
12、风冷、热管和 HPC 的电池模块的温度均匀性分别提高了 39.2%、66.5%和 73.4%.何岩松等12模拟了瞬态环境中人体表面温度分布,研究了机舱内热环境对乘员热舒适度的影响.结果表明,人体散热的舱内温度变化最小,得出人体温度对被占用舱温度场的影响可以忽略不计.针对以往的研究发现,关于汽车内部热环境的研究为了简化模型和减少计算量,大多忽略了固体壁面间的辐射,然而在高原地区海拔高、空气稀薄、太阳辐射强烈,太阳的直射,散射和反射热负荷都会带来温度影响13,在此进行研究若将壁面间辐射忽略可能会产生较大误差.因此,文中以某品牌汽车为研究对象,采用数值模拟的方法建立汽车空气流动和传热的模型,分析了处
13、于高原环境的夏季工况的车室热环境情况,考虑了热对流,热传导和太阳辐射的影响,应用整体求解法计算共轭传热问题,从瞬态和稳态两种情况分析了壁面热辐射对车室内温度场的影响并与忽略壁面热辐射的情况和低海拔平原情况进行了对比.1 模型建立 1.1 物理模型文中运用 SOLIDWORKS 软件对某汽车进行 11建模14,分析对象为车室内前围板到后围板这一部分15.因车体结构复杂,过分追求模型精细化会给后续计算增大难度,甚至导致网格变形和计算发散,因此对于一些尺寸较小或对流场影响不大的部件进行适当简化,舱内凹凸面皆做平面化处理,建立如图 1所示的物理模型.此模型长 2.2 m、宽 1.36 m、高 1.3
14、m,有3 个送风口(0.07 m0.1 m)两个回风口(0.12 m0.1 m).后挡风玻璃前挡风玻璃座椅进风口发动机罩出风口2 200 mm1 300 mm1 360 mmyxz图 1 车辆物理模型Fig.1 Physical model of a vehicle 1.2 数学模型为了简化问题,对模型做出假设:不考虑汽车漏风带来的影响,认为车室密封性好;车内外空气是低速流动,最大流速不超过 10 m/s,此时音速为 340 m/s,马赫数小于 0.3,故可认为车室内空气为不可压缩流体,忽略黏性力做功引起的耗散热;由于车室结构复杂使流动分离,流线弯曲程度较大,因此应按湍流处理,采用 RNG 模
15、型,近壁面处用壁面函数法进行处理;车室内空气看作辐射透明介质.根据上述假设,车内空气流动和传热的连续性方程、动量、k-方程及能量方程的通用形式表示为div(pU)=div(grad)+S(1)式中:和 S分别为广义扩散相系数和广义源项;第 1 期李琳睿等:壁面热辐射对车内温度场影响的分析61为通用物理变量.FLUENT 软件中辐射模型有 5 种,因 DO 模型最为综合,考虑了散射、半透明介质以及跟波长有关的非灰体模型,因此选用 DO 模型,表达式为(I(r,s)s)=(a+s)I(r,s)an2T4+s4w40I(r,s)(s,s)d(2)r s式中:为位置矢量;为方向矢量;为波长;a 为吸收
16、系数;s为散射系数;I 为辐射强度;n 为折射率;为 Stefan-Boltzmann 常数;为相位函数.式(2)的左侧表示辐射强度项的变化,右侧第 1 项是与吸收和散射相对应的损耗;第 2 项表示不同介质分子在温度下对发射辐射的吸收;以及最后一项是因入射散射辐射引起的损耗.2 边界条件计算工况地点设置为 6 月 21 日 13:00 的西藏拉萨,东经 91.1,北纬 29.66.车头朝东,车尾朝西,天空晴朗无云.当地气压为 0.065 2 MPa,海拔为 3 658 m.拉萨地区地处青藏高原,空气稀薄,对太阳辐射削弱小,一年中之中晴天居多,夏至在北半球辐照时间最长.根据国家气象局和 FLUE
17、NT 中自带的太阳辐射计算器,并参考其他相关文献 16,得到 6 月 21 日此时拉萨地区太阳辐射正午定量测试数据.如图 2 所示.可以看到,从 13:0013:30 半个小时内太阳辐射强度变化较小,太阳的直接辐射强度仅从 881 W/m2 上升至 884.2 W/m2,并且汽车的材料对太阳辐射还有一定的反射作用,则此时太阳辐射强度的微小变化对整体换热情况影响可忽略不计.11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00840850860870880890直接太阳辐射强度/(Wm2)时间 t/h图 2 拉萨地区夏至正午太阳辐射变化曲线Fig.2 So
18、lar radiation change at midsummer noon in Lhasa 车室所在流体域的进口设置为速度入口,速度大小为 1 m/s,温度为 293 K;出口为压力出口,入口与出口的内部辐射系数为 1.0.车厢壁面按照无滑移壁面处理,车身及发动机罩设置为不透明壁面,前后挡风玻璃设置为半透明壁面.夏季高温,发动机罩壁面的温度不可忽视,将其设置为恒温热边界条件,温度为 355 K,其余壁面设置为耦合壁面;车辆各部件的物性和光学特性如表 1 所示15,17;所有壁面的内部辐射系数为 0.8;车体等不透明体的透射率为 0,玻璃等半透明体的透射率为 0.8.由于离散坐标热辐射模型(
19、DO)能处理半透明材料和非灰体辐射,适用于所有光学厚度的场合,故选用离散坐标热辐射模型 18.表 1 车体主要部件物性参数及光学参数Tab.1 Physical parameters and optical parameters of mainparts of a vehicle部件车身及发动机罩车窗座椅材质合金钢玻璃皮革密度/(kgm3)8 0302 180481比热/J(kgK)1502.487501 256.04热导率W(mK)18.71.3826.83吸收系数/m10.460.250.35折射率2.51.4581.33吸收率0.70.10.8反射率0.30.10.4发射率0.90.95
20、0.94 计算太阳辐射采用射线追踪法,计算得太阳入射光线矢量为(0.227,0.969,0.094),车外的太阳辐射直射强度为 880.61 W/m2,竖直平面散射为 79.80 W/m2,水平平面散射为 118.00 W/m2,地面反射为 97.16 W/m2.该算法将太阳辐射处理成射线,其中包含太阳方位向量和相关的辐照参变量,射线落到所指定的边界上,通过面与面之间的遮蔽分析来确定边界面和内部壁面被遮挡的部分,然后计算入射太阳辐射在边界上产生的热流,并将产生的热流通过能量方程中的源项耦合到数值计算中18.RNG k-模型修正了湍动黏度,能模拟计算分离流、二次流、射流、旋转流等中等复杂流动,该
21、模型能够应用于曲率和压力梯度较大的旋转流动,文中汽车车室的几何结构复杂,包含多种复杂流动,因此选择修正了湍流黏度,精度更高,可以有效描述车室内物理特性的 RNG k-模型.考虑浮力作用,浮力效应选 Full,采用 SIMPLE 算法,压力项采用二阶离散格式,其他项采用二阶迎风离散格式,松弛因子保持默认,重力加速度取 9.81 m/s2.当能量方程残差小于106,其他方程残差小于 103时,认为计算收敛.62北 京 理 工 大 学 学 报第 44 卷3 模型验证 3.1 网格无关性验证为了排除网格数量对计算结果的影响,现选取5 套数量不同的网格代入进行验证,在保证网格正交质量的最小值大于 0.1
22、3 的条件下生成 1 401 397、1 667 426、1 803 735、2 030 248、22 470 145 套 网 格.观察不同数量的网格在线(x=0.7,y=0.75,z=01.35)上的温度分布情况.从图 3 可以看出,5 种网格温度差距不大,不同网格间最大温差为 2.17 K,并且 140万,166 万的网格与其他有明显差距,而剩下的 3 套网格差距微小,其中 180 万和 203 万的网格基本一致,224 万的网格有细微差别但误差仍在 5%以内.这说明当网格数量在 180224 万时,数值模型受网格数量影响较小,因此为了方便计算选择数量为 1 803 735的网格.00.2
23、0.40.60.81.01.21.4310312314316318320322324326T/KZ/m 1 401 397 网格 1 667 426 网格 1 803 735 网格 2 030 248 网格 2 247 014 网格图 3 网格无关性验证Fig.3 Grid size independence analysis 3.2 DO 模型验证在本次数值模拟过程中选取了 DO 模型进行仿真分析.为了验证此模型的有效性,从文献中选取了3 次域的测试问题来对 DO 模型进行验证.测试是在SAKAMI 等19在密闭熔炉外壳内进行的,使用了基于指数空间离散化的新算法.熔炉的几何形状为平行六面体,
24、其中 Lx=Ly=2 m,Lz=4 m,物理模型如图 4所示.炉内的气体具有 q=5 k W/m3体积热源,吸收系数=0.5/m.其具体边界条件如下:在 z=0 处,T=1 200 K,=0.85;在 z=Lz处,T=400 K,=0.70;在其他表面,T=900 K,=0.70.当 y=1 m 时不同 z 位置处的气体温度分布如图 5所示,将其与 SAKAMI19、LARI20工作方法和区域方法获得的结果进行了比较.可以看出,DO 模型的测试结果与文献中的其他结果很好地吻合.因此选用 DO 模型进行仿真模拟是可靠有效的.1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.00.20.40.60.81
25、.08008509009501 0001 050 Zone 方法 Lari 方法Sakami et al.本文模型z=0.4 mz=2.0 mz=3.6 mT/KX/m图 5 y=1 m 处不同 z 值下空气的温度分布Fig.5 Temperature distribution of difeerent z medium at y=1 m 4 结果与分析 4.1 稳态情况本节对是否考虑壁面辐射的车内温度情况进行研究,如图 6 所示.图 6(a)中车室内大部分区域处于303311 K 之间,车内整体空气平均温度为 308.9 K,而图 6(b)大部分气温是处于 308315 K 之间,车内整体空
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 热辐射 温度场 影响 分析
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。