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精华 | 基于TAIThermApp进行人体热舒适性分析

        在整车 的产品开发过程中,热舒适性作为一项重要 的评价指标已经被越来越多 的整车厂所重视。这一指标 的存在可以更好 的服务于空调系统设计开发过程。
 
        影响人体热舒适性 的因素有多方面,对环境而言,除了空气 的温度、湿度和流速外,还有环境对人体 的平均辐射温度;对人体而言,有人体 的代谢产热量和衣着热阻。人在环境中 的冷热感觉是这六大因素对人体共同作用 的结果。
 

热舒适度评价标准

 
        早期 的热舒适度标准,如预期平均投票数(PMV,Fanger 1970)、预测不满意百分数(PPD,Fanger 1982)、当量均匀温度(EHT,Wyon et al. 1989)、标准有效温度(SET,Gagge 1986)和动态热感知(DTS,Fiala et al. 2003)等均是基于环境 的评价标准,而Berkeley舒适度模型(Zhang et al. 2009)是基于人体生理机能 的热舒适度评价标准,并考虑局部舒适度对整体热舒适度 的影响,更加适合舱体等气流不均 的密闭空间。
 
 
        如何在空调系统 的设计过程中借助仿真分析获得人体热舒适性 的评价指标?进而作为空调系统好坏 的评价标准。在此过程中既能完成出风口布局优化设计,也为车身隔热设计获得支撑数据;既考虑外界环境包括太阳光照射 的影响,又考虑人体自身生热影响;并评估空调系统在规定时间内将舱内温度降到规定温度 的能力。本文将通过基于专业热设计AppTAITherm进行人体热舒适性分析 的案例对上述问题给出答案。
 

TAIThermApp

        TAIThermApp是美国ThermoAnalytics企业(TAI) 的核心产品,是专业 的热设计App, TAITherm 的人体热舒适度模块支撑用户在热环境中设置虚拟假人模型,用以计算热舒适度指标,包括PPD、PMV、EHT、Berkeley热舒适度评价模型等,可输出多种基于环境和基于人体生理 的热舒适度评价参数。
 

仿真流程概述

 
•  将准备好 的网格模型cabin without human .nas导入TAITherm进行热模型搭建,用于暴晒过程模拟,为空调降温过程提供初始温度条件
 
 
•  human人体网格模型添加到cabin模型中,并对人体赋予生理边界条件,形成降温过程模拟 的热模型
 
 
•  将包含人体 的网格模型导入CFD工具进行流场模型搭建,对舱内空调出风影响进行热流场模拟
•  TAITherm 的热模型与CFD 的流场模型进行耦合,互相提供换热边界条件
 
 
•  TAIThermApp中完成空调降温过程 的模拟,全面模拟辐射、对流换热和热传导,分析不同体型、性别 的人员 的体温调节反应,对人体热舒适度进行多层面 的研究分析
 

TAITherm热模型

•  车身选用多层材料,比如最外层 的表面是白色漆层,往里依次可以定义各层材料及中间气隙层,最内侧是内饰层
 
  
 
•  车窗玻璃选用透明材料,模拟透射性能
 
 
•  环境条件,Editor-environ-Natural(weather),点击Browse选择天气文件(从国际气象网站下载编译),若天气文件和模型文件不在同一工作目录,则需要勾选use absolute path使用绝对路径
 
 
•  对流换热条件
        暴晒过程中无论是乘员舱外还是舱内均是自然对流,可以直接指定对流换热系数或者给定一个风速来模拟自然对流。
 
        对于空调开启过程,乘员舱外表面因车速存在复杂外流场,舱内因空调开启存在复杂内流场,为了考虑不同区域流动换热条件 的差异,将TAITherm 的热模型与CFD 的流场模型进行耦合,互相提供换热边界条件。
 

人体生理模型

•  从skin往里人体边界条件共16层,skin往外可以添加衣服层,衣服材质可以从App材料库选取
 
  
 
•  对应空调开启阶段,人体最外层(衣服层或者裸露 的皮肤) 的对流换热边界条件由CFD仿真结果映射过来,即imported
 
•  人体生理模型配置文件
        将配置文件和模型文件一起放在同一工作目录,一个假人对应一套配置文件(berkeleysetpoints.txt、bodypartmap.txt、boundaryconditions.txt、physiogen.txt、physiology.txt、referencevariables.txt),将这些文件存在一个文件下并进行命名,如sit75(坐着 的75% 的模型),模型中包含多个假人时可以拷贝上面 的配置文件夹进行重命名,并对各配置文件进行编辑,使人体 的身高体重、活动级别等与当前要模拟 的工况对应一致,另外,需要在总 的配置文件config.txt中定义所有 的假人。
 
    ♦ bodypartmap.txt中 的part及name与当前网格模型划分 的part保持一致
 
 
    ♦ 编辑physiology.txt定义人员 的身高、体重、肤色
 
 
    ♦ Editor>Assembly,将人体 的所有part定义到一个Assembly,Assembly 的命名建议与配置文件夹 的名称一致,双击Assembly Type-Segmental Human,并定义活动级别
 
 

热舒适度结果

        计算完成后在模型所在 的文件夹会生成几个表格结果,包含局部温度、局部热感觉、局部热舒适度、总体热感觉、总体热舒适度等,可基于这些表格数据进行结果后处理,也可以在App界面查看人体热舒适度 的云图结果。结合局部热舒适度 的分布趋势可以更准确 的定位造成总体热舒适度 的原因,为设计优化提供支撑数据。
 
 
 
        今天 的先容就到这里,大家有任何问题,或是想要更详细 的了解相关内容,欢迎与大家联系讨论,或者联系大家申请App使用!
 
        另外,如果大家想实现整个仿真过程自动化,请关注大家后续先容 的COTHERM耦合流程自动化部分。
 
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