LCM与CFD耦合算法研究及其在汽车乘坐热舒适性分析中的应用

The occupant thermal comfort in vehicle cabin is essential for an advanced vehicle performance, which will benefit for occupant’s health, comfort and driving safety, reducing energy consumption and improving the competitiveness of automotive products. Currently, further investigation of thermal comfort in vehicle cabin is facing with resolution and accuracy issues when using existing numerical analysis method, no single simulation tool is able to handle all heat transfer processes in vehicle cabin. In addressing this problem, the proposed project was planned, by using a combination methods of theoretical analysis, numerical calculation and experimental research. Firstly, a "two-way alternative" coupling algorithm was put forward through theoretical study of the LCM and CFD numerical method, and then founded a systematic LCM-CFD coupling numerical tool by establishing a data coupling platform of these two numerical methods. Secondly, for the proposed coupling numerical method can be effectively applied in the long transient numerical analysis in vehicle cabin environment, the project also proposed an innovative long transient numerical analysis strategy, which can effectively control computation resource under the precondition of ensuring the reliability of the calculation results. Finally, this project set up a series of criterions to guide the researchers selecting the most suitable numerical tool according to the research purposes and anlysis conditions, by summarizing the advantages and limitations of the LCM, CFD and coupling method. The successful implementation of this project will provide innovative coupling numerical methods and analysis strategies for the occupant thermal comfort investigation, vehicle cabin thermal environment management, which has important theoretical significance and application value.

汽车乘坐热舒适性研究是保障乘员健康、舒适和行车安全，降低能耗提高汽车产品竞争力的迫切需要。针对目前汽车乘坐热舒适性研究深入所面临亟需解决的单一数值方法可靠性问题，本项目采用理论分析、数值仿真和试验研究相结合的方法，首先通过对LCM和CFD数值方法的理论研究，提出“双向替代”的耦合算法，并建立两数值方法间的耦合平台，形成系统的LCM-CFD耦合分析工具；为使提出的耦合方法能有效应用于车内热环境的长瞬态数值分析中，本项目还建立一种全新的长瞬态数值分析策略，在保证计算结果可靠性的前提下有效控制计算资源；最后本项目研究归纳LCM、CFD以及耦合分析等不同数值方法的先进性和局限性，建立车内热环境数值分析方法的选择准则，从而使研究人员可以根据分析工况和研究目的选择最合适的数值工具。本项目的成功实施将为乘员热舒适性研究、车内热环境管理提供创新的耦合数值方法和分析策略，具有重要的理论意义和应用价值。

汽车乘坐热舒适性研究是保障乘员健康、舒适和行车安全，降低能耗提高汽车产品竞争力的迫切需要，而车内热环境是影响乘员热舒适性的主要因素之一，受到汽车乘员舱内外诸多因素的影响和干扰，如太阳辐射、环境气温、车内表面热辐射以及空调气流对流传热等。要正确预测车内热环境参数，就必须对这些因素的动态传热过程进行数值仿真，尽管近年来数值计算方法和计算资源都有了很大的发展，如基于热平衡原理的集总电容法（Lumped Capacitance Method，即LCM）以及计算流体力学方法（Computational Fluid Dynamics，即CFD），但由于这两种方法在理论基础、计算资源或计算精度上的限制，单一的数值方法很难准确地获得车内各种热环境参数。针对车内热环境以及汽车乘坐热舒适性研究所面临的数值分析问题，本项目在对LCM和CFD数值方法理论研究的基础上，基于车内热环境的特点和影响因素，应用LCM方法计算汽车内外壁面的温度值，并将其作为CFD分析的壁面边界条件，对车内流体区域进行流体力学计算，同时获得壁面的表面传热系数，然后将该表面传热系数代替原LCM模型中的旧表面传热系数，重新计算得到新的壁面温度值并作为下一步CFD计算的壁面边界条件，如此循环，建立两者的耦合数值方法；根据车内热环境分析和乘员热舒适性的需要，本项目还提出了长瞬态数值分析策略，以及该策略在车内气流组织分析、乘员热舒适性评价分析、热环境与能耗分析等数值分析工作的适用性；最后还通过一系列的车内环境热测试和仿真计算，分析项目所提出的数值方法在汽车乘坐热舒适性研究中的适用性和局限性，对其适用范围、计算资源以及精度进行了评估。研究结果表明LCM-CFD耦合方法以及长瞬态的分析策略，对复杂车身几何模型具有良好的适应性，能真实模拟车外各种天气条件的影响，有效提高数值分析精度，并把计算时间控制在可接受的范围内。本项目的成功实施将为乘员热舒适性研究、车内热环境管理提供创新的耦合数值方法和分析策略，具有重要的理论意义和应用价值。