J4-02 · 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
- 能选用合适的分区人体热调节模型（Fiala/Berkeley类）搭建虚拟热假人
- 能把CFD算出的温度、风速、辐射场正确耦合到假人各分区的边界条件
- 能算出各身体分区的皮肤温度、局部热感觉与整体PMV/PPD
- 能用实体假人试验数据对虚拟假人模型做相关性修正
- 能把仿真结果转成HVAC出风策略或PTC控制的具体改进建议
内容大纲
- 人体热调节生理模型基础
- 核心-外壳两层产热/散热模型
- 分区人体模型（Fiala/Berkeley类）的节点划分方式
- 代谢率、做功、蒸发散热与皮肤血流调节
- 服装热阻（clo）与分区服装差异的处理
- 虚拟假人与CFD的耦合方式
- 单向耦合（CFD结果作边界喂给假人）与双向耦合的差异
- 各分区对流/辐射换热系数的确定方法
- 呼吸道换热与湿度耦合的处理
- 耦合时间步与CFD瞬态步长的匹配
- 局部与整体热舒适评价
- 局部PMV与整体PMV-PPD的关系（衔接A4-02）
- 等效温度EHT的稳态/瞬态适用边界（衔接A4-03）
- 动态热感觉：瞬态pull-down工况不能直接套稳态PMV
- 不对称热环境（单侧受晒、单侧吹风）的局部评价
- 典型仿真工况设定与初始温度场
- 冬季冷启动pull-down、夏季暴晒pull-down工况设定；⚠ 初始温度场（soak 初场）不能按均匀环境温度给——内饰、座椅、玻璃的蓄热决定降温曲线前段，初场给错，假人前若干分钟的皮温与局部热感觉全错。初场的两条来源（J1-08 多节点 1D 长瞬态自算后映射、L3-03 浸车实测测温网格映射）与映射方法承接 J4-01 的初场一讲，本课直接沿用其输出，不自行拍均匀初温
- 稳态巡航工况的舒适性评估
- 与实体假人试验的相关性验证
- 实体热假人测量（衔接A4-05、L6-02）与虚拟假人的对标方法
- 模型参数修正：代谢率、血流响应等
- 相关性验证不通过时的排查顺序
- 虚拟假人的适用边界与不能替代实测的场景
- 分区结果判读与HVAC/PTC策略改进
- 分区结果的可视化与工程判读
- 结果如何反馈到HVAC/PTC控制策略
关键公式
M − W = (C + R + E_sk) + (C_res + E_res) + S
人体分区能量平衡（以散热为正）：代谢产热减做功，等于皮肤侧对流 C、辐射 R、蒸发 E_sk，加上呼吸道显热 C_res 与潜热 E_res，再加蓄热 S；写法与 A4-01/A4-02 一致，是分区生理模型每个节点的核心方程。注意呼吸道两项只挂在核心/肺节点上，不要摊到各皮肤分区
1 clo ≈ 0.155 m²·K/W
服装热阻单位定义：分区服装热阻输入直接决定该区皮肤到环境的换热强度，冬夏工况必须分别取值
q''_loss = h_c(T_sk − T_air) + f_eff·ε·σ·(T_sk⁴ − T̄_r⁴) + q_evap
假人分区边界热流（全式以皮肤失热为正，与本课的人体分区能量平衡式及 A4-01/A4-02 同一套约定；切勿把对流写成 h_c(T_air−T_sk) 再与恒为正的 q_evap 相加）：CFD 算出的近体空气温度/流速换算成分区对流换热系数 h_c[W/(m²·K)]；辐射项取分区平均辐射温度 T̄_r，并乘有效辐射面积系数 f_eff（人体 0.7 量级，与 A4-06 的角系数口径同源），不能按裸表面直接算；q_evap 为皮肤蒸发失热[W/m²]。冷启动 pull-down 时 T_air<T_sk，对流项由公式本身自然取负（空气向皮肤加热），不需要人为翻符号。这是 CFD 向假人耦合的接口方程
TSV_local = f(T_sk, dT_sk/dt)
局部热感觉不只取决于皮肤温度绝对值，变化速率同样影响主观感受，这是瞬态pull-down工况需要动态评价而非直接套稳态PMV的原因
关键概念
分区人体模型核心-外壳模型服装热阻clo皮肤血流调节蒸发散热CFD-假人耦合局部PMV动态热感觉不对称热环境相关性验证呼吸道换热
推荐工具与标准
STAR-CCM+ / Fluent（提供流场输入） TAITherm Human（人体热模型与假人耦合） JOS-3等开源多节点生理模型 实体热假人测量系统（衔接L6-02，作对标数据源）
ISO 7730（PMV-PPD计算方法） ISO 14505 系列（车内热环境评价） ISO 9920（服装热阻估算方法）
工程案例
某纯电轿车冬季低温冷启动pull-down工况：虚拟热假人耦合CFD算出前段时间内脚部、手部皮肤温度的爬升明显慢于躯干，局部热感觉长时间停在偏冷区间；据此把风道出风策略从先吹面后吹脚调整为优先吹脚，仿真显示脚部达到舒适阈值的时间提前。
动手做
交付物 · 给定一组冬季/夏季pull-down工况的CFD温度-风速场，① 搭建分区虚拟热假人并完成CFD-假人耦合；② 算出各分区皮肤温度与局部热感觉曲线；③ 对照实体假人试验数据做相关性检查，输出HVAC出风策略改进建议。
常见误区
- 只看座舱平均温度或整体PMV，手脚这类末梢部位的局部冷热被平均掉，恰恰是投诉最多的地方
- 冬夏服装热阻（clo）用同一套默认值，处理不合理导致模型系统性偏差
- 瞬态pull-down工况硬套稳态PMV-PPD结论，忽略皮肤温度变化速率对主观感觉的影响
- CFD输入本身没做过对标（继承J4-01的误差）就直接耦合假人，误差被放大到舒适性结论上
- 虚拟假人模型参数（代谢率、血流响应等）从别的项目或文献直接照搬，不做本车型/本人群的相关性修正
- 边界热流的符号约定混用：对流项按 h_c(T_air−T_sk) 写、却与恒为正的蒸发失热 q_evap 直接相加，等于一式两套约定；冷启动 pull-down 下分区能量平衡里对流的贡献整体反号，皮温曲线与蓄热项 S 的量值随之失真
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