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精華 | 基于TAITherm軟件進行人體熱舒適性分析

        在整車的產品開發過程中,熱舒適性作為一項重要的評價指標已經被越來越多的整車廠所重視。這一指標的存在可以更好的服務于空調系統設計開發過程。
 
        影響人體熱舒適性的因素有多方面,對環境而言,除了空氣的溫度、濕度和流速外,還有環境對人體的平均輻射溫度;對人體而言,有人體的代謝產熱量和衣著熱阻。人在環境中的冷熱感覺是這六大因素對人體共同作用的結果。
 

熱舒適度評價標準

 
        早期的熱舒適度標準,如預期平均投票數(PMV,Fanger 1970)、預測不滿意百分數(PPD,Fanger 1982)、當量均勻溫度(EHT,Wyon et al. 1989)、標準有效溫度(SET,Gagge 1986)和動態熱感知(DTS,Fiala et al. 2003)等均是基于環境的評價標準,而Berkeley舒適度模型(Zhang et al. 2009)是基于人體生理機能的熱舒適度評價標準,并考慮局部舒適度對整體熱舒適度的影響,更加適合艙體等氣流不均的密閉空間。
 
 
        如何在空調系統的設計過程中借助仿真分析獲得人體熱舒適性的評價指標?進而作為空調系統好壞的評價標準。在此過程中既能完成出風口布局優化設計,也為車身隔熱設計獲得支撐數據;既考慮外界環境包括太陽光照射的影響,又考慮人體自身生熱影響;并評估空調系統在規定時間內將艙內溫度降到規定溫度的能力。本文將通過基于專業熱設計軟件TAITherm進行人體熱舒適性分析的案例對上述問題給出答案。
 

TAITherm軟件

        TAITherm軟件是美國ThermoAnalytics公司(TAI)的核心產品,是專業的熱設計軟件, TAITherm的人體熱舒適度模塊支持用戶在熱環境中設置虛擬假人模型,用以計算熱舒適度指標,包括PPD、PMV、EHT、Berkeley熱舒適度評價模型等,可輸出多種基于環境和基于人體生理的熱舒適度評價參數。
 

仿真流程概述

 
•  將準備好的網格模型cabin without human .nas導入TAITherm進行熱模型搭建,用于暴曬過程模擬,為空調降溫過程提供初始溫度條件
 
 
•  human人體網格模型添加到cabin模型中,并對人體賦予生理邊界條件,形成降溫過程模擬的熱模型
 
 
•  將包含人體的網格模型導入CFD工具進行流場模型搭建,對艙內空調出風影響進行熱流場模擬
•  TAITherm的熱模型與CFD的流場模型進行耦合,互相提供換熱邊界條件
 
 
•  TAITherm軟件中完成空調降溫過程的模擬,全面模擬輻射、對流換熱和熱傳導,分析不同體型、性別的人員的體溫調節反應,對人體熱舒適度進行多層面的研究分析
 

TAITherm熱模型

•  車身選用多層材料,比如最外層的表面是白色漆層,往里依次可以定義各層材料及中間氣隙層,最內側是內飾層
 
  
 
•  車窗玻璃選用透明材料,模擬透射性能
 
 
•  環境條件,Editor-environ-Natural(weather),點擊Browse選擇天氣文件(從國際氣象網站下載編譯),若天氣文件和模型文件不在同一工作目錄,則需要勾選use absolute path使用絕對路徑
 
 
•  對流換熱條件
        暴曬過程中無論是乘員艙外還是艙內均是自然對流,可以直接指定對流換熱系數或者給定一個風速來模擬自然對流。
 
        對于空調開啟過程,乘員艙外表面因車速存在復雜外流場,艙內因空調開啟存在復雜內流場,為了考慮不同區域流動換熱條件的差異,將TAITherm的熱模型與CFD的流場模型進行耦合,互相提供換熱邊界條件。
 

人體生理模型

•  從skin往里人體邊界條件共16層,skin往外可以添加衣服層,衣服材質可以從軟件材料庫選取
 
  
 
•  對應空調開啟階段,人體最外層(衣服層或者裸露的皮膚)的對流換熱邊界條件由CFD仿真結果映射過來,即imported
 
•  人體生理模型配置文件
        將配置文件和模型文件一起放在同一工作目錄,一個假人對應一套配置文件(berkeleysetpoints.txt、bodypartmap.txt、boundaryconditions.txt、physiogen.txt、physiology.txt、referencevariables.txt),將這些文件存在一個文件下并進行命名,如sit75(坐著的75%的模型),模型中包含多個假人時可以拷貝上面的配置文件夾進行重命名,并對各配置文件進行編輯,使人體的身高體重、活動級別等與當前要模擬的工況對應一致,另外,需要在總的配置文件config.txt中定義所有的假人。
 
    ♦ bodypartmap.txt中的part及name與當前網格模型劃分的part保持一致
 
 
    ♦ 編輯physiology.txt定義人員的身高、體重、膚色
 
 
    ♦ Editor>Assembly,將人體的所有part定義到一個Assembly,Assembly的命名建議與配置文件夾的名稱一致,雙擊Assembly Type-Segmental Human,并定義活動級別
 
 

熱舒適度結果

        計算完成后在模型所在的文件夾會生成幾個表格結果,包含局部溫度、局部熱感覺、局部熱舒適度、總體熱感覺、總體熱舒適度等,可基于這些表格數據進行結果后處理,也可以在軟件界面查看人體熱舒適度的云圖結果。結合局部熱舒適度的分布趨勢可以更準確的定位造成總體熱舒適度的原因,為設計優化提供支撐數據。
 
 
 
        今天的介紹就到這里,大家有任何問題,或是想要更詳細的了解相關內容,歡迎與我們聯系討論,或者聯系我們申請軟件使用!
 
        另外,如果大家想實現整個仿真過程自動化,請關注我們后續介紹的COTHERM耦合流程自動化部分。
 
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