J4-01 · 仿真分析 CAE / 乘员舱与舒适性仿真
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课程大纲
学完能做什么
- 能把HVAC台架/1D仿真给出的出风口边界条件正确映射进座舱CFD模型
- 能根据流动的浮力影响程度判断该用强制对流、自然对流还是混合对流模型
- 能建太阳辐射负荷模型并算出座舱内的空间温度分布
- 能用呼吸区、脚部、头部等关键测点核验CFD结果是否可信，并分清「温度/风速达标」与「空气新鲜度达标」是两套口径
- 能识别座舱CFD建模中网格与边界条件设置的典型错误（含只给送风进气边界、不给泄压/渗漏出口这类质量不守恒的错设）
内容大纲
- 建模范围、几何简化与进出口/初场边界设定
- 几何简化：座椅、乘员、仪表台、内饰的取舍原则
- 出风口边界条件：速度型 vs 质量流量型，三个来源——台架实测速度型、1D 仿真结果、或 J4-04 总成级箱内 CFD 给出的出风断面结果。⚠ 本课计算域自出风口断面起，空调箱与风道内部不在其内（这原本只是隐含约定，已经导致外部课程误引本课去做全箱联算）；要做「全箱+风道」联算见 J4-04
- 稳态（评估平衡态）vs 瞬态（评估pull-down过程）的选用
- 太阳辐射与车外环境边界：车外对流换热、地面反射
- 初始温度场从哪来：pull-down/暴晒瞬态的 soak 初场有两条路——① 由 J1-08 的座舱多节点 1D 长瞬态自算后映射到 3D 固体域，② 由 L3-03 浸车实测的测温网格映射；两条路的取舍、内饰固体域分层与热容输入、天窗/遮阳帘/内饰颜色与材料的敏感性，以及内饰表面触摸温度限这个常被漏掉的输出量
- 出口边界不能缺：泄压阀口按压力出口给（带阀片开启压差与阻力特性）、车身缝隙按分布式渗出处理（分布阻力面或等效多孔介质）。只给送风入口不给排气出口，要么质量不守恒、要么被求解器隐式补出一个非物理出口，速度场与呼吸区的浓度场随之失真
- 湍流与浮力效应
- 座舱低速流动的浮力判据：用理查森数量级判断强制/自然/混合对流
- k-ε、k-ω SST、LES/DES在座舱问题上的适用场景与计算成本
- Boussinesq近似与全密度法的选择时机
- 近壁处理与y+要求：温度场对近壁网格比外流场更敏感
- 辐射与太阳负荷建模
- 离散坐标法（DO）与表面对表面（S2S）辐射模型的取舍
- 太阳直射角度、玻璃透过率 τ 与内饰材料短波吸收比 α_s 的输入来源：取值口径统一走 C1-06 的座舱制冷负荷计算书（太阳得热项的取值与数据来源），使 CFD 的边界输入与系统级负荷账用同一套 τ/α_s，避免仿真与计算书两张皮；发射率与吸收率的物理基础（基尔霍夫、光谱选择性）见 A1-03
- 不对称受晒（单侧车窗）对局部温度场的影响
- 内饰材料热物性对辐射-导热耦合精度的影响
- 短波与长波必须分两个波段给材料属性：短波（太阳载荷模型的波段设置、DO 的分波段或 S2S 加太阳追迹）用太阳吸收比 α_s 与玻璃太阳透过率 τ；长波（表面自身发射与舱内壁面互辐射）用红外发射率 ε_IR，玻璃对长波近似不透明。用同一个灰体 ε 同时代这两处是最常见的错设，会同时算错内饰升温速率与玻璃的温室效应
- 网格策略与求解设置
- 出风口、人体表面的边界层网格加密策略
- 网格无关性验证的具体做法
- 瞬态pull-down仿真的时间步选取原则
- 收敛判据与监测量（而非只看残差）
- 结果提取与场诊断：关键测点、空气龄与污染物浓度场
- 呼吸区、脚部、头部关键测点的温度/风速提取方法
- 收敛流场上的标量后处理，是最便宜的诊断量：在已经收敛的速度场上冻结流场、只叠加一条被动标量输运方程，求局部平均空气龄 τ_p 与换气效率 ε_a，计算量只有主算的零头
- 用 τ_p 云图识别短路气流（送风没穿透乘员区就直接回到回风口）与滞留区，比只看温度场更早暴露布置缺陷——温度场往往已经「看着均匀」，而空气其实没换过
- 温度场之外的污染物标量场：在同一流场上加一条被动标量（或多组分）输运，源项＝乘员 CO₂ 呼出与内饰 VOC 面释放（源强口径直接引 A4-07 的产生率 G 与 C4-02 的 SER_a×A，本课不重讲单区平衡），汇项＝滤芯捕集与排气口带出；出图时各座位呼吸区局部浓度与舱内平均值一并给，沿用本课已有的呼吸区测点提取法
- 分布型指标怎么判读：空气龄类指标（局部平均空气龄与名义时间常数之比）与污染物去除效率 ε_c，判读都是三档——大于 1 表示新鲜空气优先到达/污染物被优先带走，等于 1 是完全混合，小于 1 是短路或回流。边界划清：单区质量平衡与最小新风量见 A4-07，滤芯与循环模式的稳态浓度比选见 C4-01，VOC 源强与整改排序见 C4-02，本课只解决场的分布
- 试验对标、偏差归因与向下游交付
- 与热电偶树、PIV等实测数据的对标流程
- 常见偏差来源定位：边界条件、湍流模型还是网格
- 结果如何作为输入喂给J4-02热舒适仿真
- 三维结果怎么降维回一维：把 CFD 的分区平均空气温度与分区对流换热系数提取出来，用于标定 J1-08 的座舱多节点 1D 模型——三维给局部温度场与气流组织、一维给全工况扫描与控制在环，两者是分工不是替代，不要用一门去顶另一门
关键公式
Ri = Gr/Re²
理查森数：判断座舱内流动是强制对流（Ri≪1）、自然对流（Ri≫1）还是混合对流（Ri~1量级）主导，决定要不要开浮力模型
ACH = V̇_air / V_cabin × 3600
换气次数：单位时间座舱空气被置换的次数，是衡量通风强度、判断pull-down快慢的常用指标
Q_solar = I·A_glass·τ + I·A_body·α
太阳辐射负荷：透过玻璃直接进入座舱的部分，加上被车身吸收再传导进来的部分，是座舱CFD热边界的主要输入之一
y⁺ = ρu_τy/μ
无量纲壁面距离：决定第一层网格该多厚、能不能用壁面函数，直接影响近壁温度与风速的预测精度
T_sol-air = T_amb + α_s·I/h_o
综合温度（sol-air）：把照到不透明车身上的短波太阳折算成一个等效环境温升，再乘围护传热系数，才是真正进舱的那部分。α_s 是短波太阳吸收比（深色漆在 0.9 量级），h_o 是外表面对流加长波的等效换热系数——驻车与行驶差别极大：驻车时 h_o 小、sol-air 温升可到数十 K；行驶时 h_o 成倍增大、温升回落到十几 K 量级。所以同一台车的车身得热在驻车与行驶下不是一个量级，两种工况的 h_o 必须分别确认，不能取一个值走天下
ACH = (V̇_fresh + V̇_leak) / V_cabin × 3600
换气次数（新风口径，与 C4-02 一致）：只算真正进入舱内的室外空气量，用于 CO₂、湿度、VOC 的累积估算；内循环时趋近 0，新风档为几十次每小时量级。⚠ 与 N_recirc 在内循环下不可互换。另注：ACH 与 N_recirc 都是全舱名义量，局部气流组织好不好要看局部平均空气龄 τ_p（见第 5 节）
关键概念
湍流模型浮力效应Boussinesq近似离散坐标法DOS2S辐射太阳辐射负荷边界条件映射网格无关性换气次数ACHy+壁面处理呼吸区pull-down仿真局部平均空气龄τ_p换气效率ε_a污染物去除效率ε_c
推荐工具与标准
STAR-CCM+ / Fluent TAITherm（太阳辐射与座舱热耦合） KULI / AMESim（提供出风口1D边界条件） 热电偶树 / PIV测试系统（对标数据源）
ISO 14505 系列（车内热环境评价方法，作为CFD结果评价参考） 各主机厂座舱降温/采暖台架与整车试验规范（内部规范，无统一国标编号） GB/T 12782（汽车采暖性能要求和试验方法，冬季升温/pull-up 工况的来源；版本按现行有效版本确认）
工程案例
某纯电SUV仲夏暴晒后座舱pull-down仿真：车外按夏季高温工况给定，太阳直射按典型晴天设定，AC开最大风量降温，CFD算出0~10分钟座舱温度场演变，重点看呼吸区与仪表台表面温度下降速率，为热舒适评估和出风策略调整提供输入。
动手做
交付物 · 给定一组HVAC出风口边界数据（流量/温度/角度）与整车环境参数，① 搭建座舱CFD模型并设浮力、辐射边界，初始温度场按暴晒 soak 结束时刻给定（1D 多节点自算或浸车实测映射，不得按均匀环境温度给），并给出泄压/渗漏出口边界；② 跑一次pull-down瞬态仿真，输出呼吸区温度-时间曲线；③ 对照热电偶实测点位数据评估偏差，给出网格或边界条件修正方向。
常见误区
- 用平均出风口速度代替实测速度型分布，射流穿透深度算错，导致局部温度场失真
- 座舱低速流动直接套外流场的纯强制对流思路，漏掉浮力效应，冬季脚部/头部温差算不出来
- 只做稳态、不做pull-down瞬态，冷启动/暴晒后的动态过程完全评估不到
- 太阳辐射简化成均匀热流，不对称受晒（单侧车窗）的局部过热点被抹平
- 网格无关性没做，出风口和人体壁面第一层网格过粗，y+超出所选湍流模型的适用范围
- soak 初场按均匀环境温度给（内饰、座椅、玻璃与空气同温），pull-down 前 20 分钟的温度场形状全错——蓄热大的内饰实际比空气烫得多，降温曲线的前段几乎由它决定
- 拿舱容与换气次数算出的单区稳态浓度当各座位的实际暴露量——短路气流与后排回流区的实际浓度可显著偏离舱内平均值，这和「拿平均湿度算露点」是同型错误
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