本文是一篇机械论文，本文结合国内城市公交客车空调普遍存在的乘员舱内温度均匀性差问题，经过对选取的公交客车基础模型的几何清理、网格划分及计算流体力学仿真等工作，分析客车乘员舱内的流场和温度场分布。研究结果表明该公交车确实存在的空调风量分配不合理、温度场分布不均等问题。并结合流场分析，对空调原有的风口位置、风道结构等进行了优化和再设计。最终改进的各个方案均改善了乘员舱内的流动和温度场分布，提高了客车的乘坐舒适性，对公交客车的气流组织和空调设计具有参考意义。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着汽车技术的不断发展，在客车振动噪声和行驶平顺性已经得到极大优化的背景下，客车的乘坐舒适性已经成为客车性能评价的一项重要指标。随着居民生活质量要求与生活水平的提升，人们对于出行的体验感要求也逐渐变高。而作为城市交通的主力军，城市公交客车的乘坐舒适性在影响人们出行体验感和心情的同时，更加影响着乘客的身体健康。
据相关统计显示，截止到 2014 年，我国城市公共交通运营线路的总长度达 62.01万公里，公共交通运营车辆数量达 47.63 万辆，城市公共交通客运总量达 849.50 亿人次。而且城市公交近年来发展迅猛，总量每年都以 3%左右的速度上升，到 2021 年我国城市公交运营车辆预计将接近 56 万辆。由于近年来城市交通对空调公交客车的需求量逐年快速增加，而相应的对客车空调的研究不足，导致现有的城市公交客车的空调普遍存在结构设计不合理等问题。
首先，风口位置布置不合理。大多数公交车的空调回风口选择布置在车顶中间，而由于出风口也大多布置在车顶两侧，使得回风口与距离其较近的出风口之间发生气流短路。这样出风口的制冷或制热气流未经过乘员舱内有乘客的区域而直接回流到空调内，会影响空调的工作效率，进而增加了正常的能耗。同样，排风口的布置存在相似的问题，当前多数客车的排风口也布置于车顶，靠近出风口，这样就使得制冷或制热的气流未经过乘员舱下方就已经排除车内，大大降低了空调的效果。
其次，风量分配不合理，由于目前客车空调多采用等截面的出风口，空调一般布置在车身前后方向的中间，乘员舱内靠近车头和车尾的部分由于距离空调较远，风道的压力损失较高，造成空调风量分配的不均匀。但在夏季制冷工况下，由于车尾部的乘客距离发动机舱较近，且后侧乘客较多且密集，需要更多的风量来制冷，因此单一的出风口设计已经不满足公交客车舱内温度分布的实际需求。
通过以上的叙述，显然由于空调风口位置布置不合理、风量分配单一等问题导致的车内空气质量下降、温度分布不均匀引起乘客乘坐环境不舒适、空调工作效率低进而增加能耗等一系列问题，不仅影响了乘客或消费者对公交客车性能的评价，更加影响了乘客的身心健康和汽车的能源消耗。
...........................
1.2 国外研究现状
国外采用 CFD 仿真等对汽车空调系统管道流场和温度场进行仿真，分析乘员热舒适性，并进行空调风道结构等优化起步较早，研究相对系统、完善。起亚汽车公司的Min-Ho Kim，对某中型客车的两个简化空调风管进行了数值模拟。采用三维纳维-斯托克斯方程，根据截面风道面积和扩压器面积的变化，对各扩压器的整体压力、速度场等进行了计算。此外，建立了一个基于伯努利方程的一维程序，得到了平衡各出口流量所需的最优扩散器面积。并将实验测量和 CFD 模拟结果进行了比较。实验分析证实，按照优化设计建造的风管在各出口均能产生均匀分布的流量，在正负 9%范围内。其开发的简单方便的一维分析技术可作为空调风管设计的实用工具。
计算流体力学（CFD）是一门综合数值理论与流体力学的新兴学科，旨在借助计算机技术，通过数值离散的方法将时间和空间上连续的物理场等效为有限数量的离散变量值的组合，以特定原理或方法为依据，构建能表征离散点上各变量之间关系的控制方程，最后通过方程组的求解，得到物理场的近似结果，为流体流动、热量传递等物理现象的分析提供借鉴和参考（王福军．计算流体动力学分析-CFD 软件原理及应用[M].清华大学出版社，2004．）。维斯瓦拉亚国家理工学院机械工程系的 Sanjay K.试图通过对 CFD 在以空气为工作流体的管道和太阳能空气加热器流动分析中进行详细的分析。通过 CFD 分析得到的结果表明，计算结果与实验结果吻合较好，这为类似的研究提供了一个用于预测传热和流体流动过程的行为和性能的工具。模型建立、网格划分和合适湍流模型的选择在 CFD 分析中起着重要作用。
............................
第 2 章 内流场数值模拟与传热学理论
2.1 流场仿真理论
2.1.1 仿真流程
通过数值方法求解流体力学的控制方程是流体力学仿真的根本，用离散的方式来定量描述流场的分布，从而研究立体运动规律、传热传质及相关现象的学科。本文研究问题中涉及稳态三维不可压的流动仿真，首先要对客车的几何模型进行清理和简化，并搭建流体仿真必须的网格模型。其次本文中选择有限体积法对方程进行离散，而由于涉及到传热，因此控制方程中涉及了质量守恒、动量守恒及能量守恒等定律。其一般步骤为：
（1）对研究对象几何建模（2）几何离散化即网格划分（3）控制方程的选择（4）指定边界条件与初始条件（5）求解与监视量设置（6）运行计算与后处理
其 CFD 仿真的详细流程如图所示：
..........................
2.2 传热学理论
对于公交客车来说，夏季行车过程中，对车内温度分布影响的因素有很多。夏季车外高气温环境、太阳高强度的暴晒、暴晒下高温的公路地面、车内乘客体温以及车内空调的调节功能等都会对车内温度环境造成影响。而总结来说，这些温度从这些热源或者制冷源传递到车内空气介质主要通过三种方式：热对流、热辐射和热传导。其中热传导是由于微观粒子热运动引起的，温度越高微观粒子运动越剧烈，从而带动其周围的粒子同样剧烈的运动，从而实现热传导，例如暴晒下的车身，乘客用手触摸感觉到烫手就是热传导的过程。而热对流是由于流体中宏观运动的相互掺混而发生，热辐射则是以电磁波的形式传热。在现实生活中，这是三种热传递的现象往往不会单一的出现，而是经常同时发生在某一环境中。
.........................
第 3 章 公交客车基础模型搭建及流场仿真分析........................................15
3.1 公交客车模型................................15
3.1.1 客车几何模型....................................15
3.1.2 拓扑搭建与网格划分................................16
第 4 章 送风温度与风量匹配.......................................27
4.1 不同送风温度的结果分析................................27
4.2 不同送风量的结果分析..............................30
4.3 本章小结.....................................32
第 5 章 空调的优化设计...............................35
5.1 风口优化设计.................................35
5.1.1 风口间距优化.........................35
5.1.2 风口出风角度优化..............................37
第 5 章 空调的优化设计
5.1 风口优化设计
5.1.1 风口间距优化
如图 5.1 所示，按前后位置和座椅的种类，将乘员舱分为前部、中部和后部，其中前部和中部乘客均为单排座椅，每个座椅只能容纳一位乘客，乘客密度较小。 而后部乘客为双排座椅，乘客密度较大，散热要求高，需要较多的冷却气流。如图 5.2 所示，在基础模型中，乘客头顶上方的送风口为等间距分布，风口之间的距离为 650mm，这样就与客车乘员舱内前后乘客密度不同的情况不符，不能为每位乘客提供等量的冷却气流，即不能满足乘客热舒适性的要求。因此，为增加后部乘员舱的冷却风量，需要在原来的基础上增加风口的密度。本节中在基础模型舱内后部每两个风口之间增加一个风口，即风口间距减少为 325mm。
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第 6 章 总结与展望
6.1 全文总结
本文结合国内城市公交客车空调普遍存在的乘员舱内温度均匀性差问题，经过对选取的公交客车基础模型的几何清理、网格划分及计算流体力学仿真等工作，分析客车乘员舱内的流场和温度场分布。研究结果表明该公交车确实存在的空调风量分配不合理、温度场分布不均等问题。并结合流场分析，对空调原有的风口位置、风道结构等进行了优化和再设计。最终改进的各个方案均改善了乘员舱内的流动和温度场分布，提高了客车的乘坐舒适性，对公交客车的气流组织和空调设计具有参考意义。
首先，阐述了客车空调风道优化设计研究的背景和研究意义，说明了研究的必要性。并介绍了国内外学者、工程师等对空调结构设计优化的研究现状，以及当前已有研究的不足之处，最后介绍了本文研究的主要内容。
再次，介绍了公交客车在进行车内流场及温度场仿真时，对于物理模型的选择及车身不同部分的边界条件的设置，以及面网格的划分和体网格方案等；其次讲述了太阳辐射模型和人体温度调节模型的原理与设置；最后针对送风温度 15 摄氏度，送风总流量为 1kg/s 的基础工况，对公交客车的内流场和温度分布进行分析，发现主要矛盾为车内乘客周围温度分布不均匀。经过研究和分析，最终确定空调优化的整体方向为送风口位置和风道结构的优化。
接下来，针对空调的风量和送风温度对车内温度场分布的影响设计了不同工况，由于空调送风口靠近乘员舱前部，由于距离后部较远，空调风道流动阻力的影响使得后部乘客送风口的冷却气流风量要小于前部。且后部乘客本身在数量上多于前部，即热源较多，因此温度较高，从而导致舱内纵向的温度分布不均匀，乘员舱后部需要更多的冷却气流，是优化的重点。且根据横向的温度场分布，由于缺少斜向出风口，使得乘员舱内横向温度场均匀性较差。最后结合乘客头顶的温度分布，由于在空调总送风量 1.2kg/s，送风温度为 15℃的工况下，前部和中部的大部分乘客基本接近人体舒适温度，最终确定在此基础工况下对空调送风口、风道进行位置和结构的优化，为空调送风口和送风温度的优化研究提供了基础。
最后，针对后部乘员舱人数较多，冷却气流不足的主要问题。在基础工况的基础上，分别采用对后排增加乘客送风口、风道内添加导流板、去除风道内的加强筋等方案，为解决舱内横向的温度不均匀问题，在乘员舱后部增加了斜向的乘客送风口，提高了温度均匀性，改善了乘坐舒适性。
参考文献（略）
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着汽车技术的不断发展，在客车振动噪声和行驶平顺性已经得到极大优化的背景下，客车的乘坐舒适性已经成为客车性能评价的一项重要指标。随着居民生活质量要求与生活水平的提升，人们对于出行的体验感要求也逐渐变高。而作为城市交通的主力军，城市公交客车的乘坐舒适性在影响人们出行体验感和心情的同时，更加影响着乘客的身体健康。
据相关统计显示，截止到 2014 年，我国城市公共交通运营线路的总长度达 62.01万公里，公共交通运营车辆数量达 47.63 万辆，城市公共交通客运总量达 849.50 亿人次。而且城市公交近年来发展迅猛，总量每年都以 3%左右的速度上升，到 2021 年我国城市公交运营车辆预计将接近 56 万辆。由于近年来城市交通对空调公交客车的需求量逐年快速增加，而相应的对客车空调的研究不足，导致现有的城市公交客车的空调普遍存在结构设计不合理等问题。
首先，风口位置布置不合理。大多数公交车的空调回风口选择布置在车顶中间，而由于出风口也大多布置在车顶两侧，使得回风口与距离其较近的出风口之间发生气流短路。这样出风口的制冷或制热气流未经过乘员舱内有乘客的区域而直接回流到空调内，会影响空调的工作效率，进而增加了正常的能耗。同样，排风口的布置存在相似的问题，当前多数客车的排风口也布置于车顶，靠近出风口，这样就使得制冷或制热的气流未经过乘员舱下方就已经排除车内，大大降低了空调的效果。
其次，风量分配不合理，由于目前客车空调多采用等截面的出风口，空调一般布置在车身前后方向的中间，乘员舱内靠近车头和车尾的部分由于距离空调较远，风道的压力损失较高，造成空调风量分配的不均匀。但在夏季制冷工况下，由于车尾部的乘客距离发动机舱较近，且后侧乘客较多且密集，需要更多的风量来制冷，因此单一的出风口设计已经不满足公交客车舱内温度分布的实际需求。
通过以上的叙述，显然由于空调风口位置布置不合理、风量分配单一等问题导致的车内空气质量下降、温度分布不均匀引起乘客乘坐环境不舒适、空调工作效率低进而增加能耗等一系列问题，不仅影响了乘客或消费者对公交客车性能的评价，更加影响了乘客的身心健康和汽车的能源消耗。
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1.2 国外研究现状
国外采用 CFD 仿真等对汽车空调系统管道流场和温度场进行仿真，分析乘员热舒适性，并进行空调风道结构等优化起步较早，研究相对系统、完善。起亚汽车公司的Min-Ho Kim，对某中型客车的两个简化空调风管进行了数值模拟。采用三维纳维-斯托克斯方程，根据截面风道面积和扩压器面积的变化，对各扩压器的整体压力、速度场等进行了计算。此外，建立了一个基于伯努利方程的一维程序，得到了平衡各出口流量所需的最优扩散器面积。并将实验测量和 CFD 模拟结果进行了比较。实验分析证实，按照优化设计建造的风管在各出口均能产生均匀分布的流量，在正负 9%范围内。其开发的简单方便的一维分析技术可作为空调风管设计的实用工具。
计算流体力学（CFD）是一门综合数值理论与流体力学的新兴学科，旨在借助计算机技术，通过数值离散的方法将时间和空间上连续的物理场等效为有限数量的离散变量值的组合，以特定原理或方法为依据，构建能表征离散点上各变量之间关系的控制方程，最后通过方程组的求解，得到物理场的近似结果，为流体流动、热量传递等物理现象的分析提供借鉴和参考（王福军．计算流体动力学分析-CFD 软件原理及应用[M].清华大学出版社，2004．）。维斯瓦拉亚国家理工学院机械工程系的 Sanjay K.试图通过对 CFD 在以空气为工作流体的管道和太阳能空气加热器流动分析中进行详细的分析。通过 CFD 分析得到的结果表明，计算结果与实验结果吻合较好，这为类似的研究提供了一个用于预测传热和流体流动过程的行为和性能的工具。模型建立、网格划分和合适湍流模型的选择在 CFD 分析中起着重要作用。
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第 2 章 内流场数值模拟与传热学理论
2.1 流场仿真理论
2.1.1 仿真流程
通过数值方法求解流体力学的控制方程是流体力学仿真的根本，用离散的方式来定量描述流场的分布，从而研究立体运动规律、传热传质及相关现象的学科。本文研究问题中涉及稳态三维不可压的流动仿真，首先要对客车的几何模型进行清理和简化，并搭建流体仿真必须的网格模型。其次本文中选择有限体积法对方程进行离散，而由于涉及到传热，因此控制方程中涉及了质量守恒、动量守恒及能量守恒等定律。其一般步骤为：
（1）对研究对象几何建模（2）几何离散化即网格划分（3）控制方程的选择（4）指定边界条件与初始条件（5）求解与监视量设置（6）运行计算与后处理
其 CFD 仿真的详细流程如图所示：
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2.2 传热学理论
对于公交客车来说，夏季行车过程中，对车内温度分布影响的因素有很多。夏季车外高气温环境、太阳高强度的暴晒、暴晒下高温的公路地面、车内乘客体温以及车内空调的调节功能等都会对车内温度环境造成影响。而总结来说，这些温度从这些热源或者制冷源传递到车内空气介质主要通过三种方式：热对流、热辐射和热传导。其中热传导是由于微观粒子热运动引起的，温度越高微观粒子运动越剧烈，从而带动其周围的粒子同样剧烈的运动，从而实现热传导，例如暴晒下的车身，乘客用手触摸感觉到烫手就是热传导的过程。而热对流是由于流体中宏观运动的相互掺混而发生，热辐射则是以电磁波的形式传热。在现实生活中，这是三种热传递的现象往往不会单一的出现，而是经常同时发生在某一环境中。
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第 3 章 公交客车基础模型搭建及流场仿真分析........................................15
3.1 公交客车模型................................15
3.1.1 客车几何模型....................................15
3.1.2 拓扑搭建与网格划分................................16
第 4 章 送风温度与风量匹配.......................................27
4.1 不同送风温度的结果分析................................27
4.2 不同送风量的结果分析..............................30
4.3 本章小结.....................................32
第 5 章 空调的优化设计...............................35
5.1 风口优化设计.................................35
5.1.1 风口间距优化.........................35
5.1.2 风口出风角度优化..............................37
第 5 章 空调的优化设计
5.1 风口优化设计
5.1.1 风口间距优化
如图 5.1 所示，按前后位置和座椅的种类，将乘员舱分为前部、中部和后部，其中前部和中部乘客均为单排座椅，每个座椅只能容纳一位乘客，乘客密度较小。 而后部乘客为双排座椅，乘客密度较大，散热要求高，需要较多的冷却气流。如图 5.2 所示，在基础模型中，乘客头顶上方的送风口为等间距分布，风口之间的距离为 650mm，这样就与客车乘员舱内前后乘客密度不同的情况不符，不能为每位乘客提供等量的冷却气流，即不能满足乘客热舒适性的要求。因此，为增加后部乘员舱的冷却风量，需要在原来的基础上增加风口的密度。本节中在基础模型舱内后部每两个风口之间增加一个风口，即风口间距减少为 325mm。
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第 6 章 总结与展望
6.1 全文总结
本文结合国内城市公交客车空调普遍存在的乘员舱内温度均匀性差问题，经过对选取的公交客车基础模型的几何清理、网格划分及计算流体力学仿真等工作，分析客车乘员舱内的流场和温度场分布。研究结果表明该公交车确实存在的空调风量分配不合理、温度场分布不均等问题。并结合流场分析，对空调原有的风口位置、风道结构等进行了优化和再设计。最终改进的各个方案均改善了乘员舱内的流动和温度场分布，提高了客车的乘坐舒适性，对公交客车的气流组织和空调设计具有参考意义。
首先，阐述了客车空调风道优化设计研究的背景和研究意义，说明了研究的必要性。并介绍了国内外学者、工程师等对空调结构设计优化的研究现状，以及当前已有研究的不足之处，最后介绍了本文研究的主要内容。
再次，介绍了公交客车在进行车内流场及温度场仿真时，对于物理模型的选择及车身不同部分的边界条件的设置，以及面网格的划分和体网格方案等；其次讲述了太阳辐射模型和人体温度调节模型的原理与设置；最后针对送风温度 15 摄氏度，送风总流量为 1kg/s 的基础工况，对公交客车的内流场和温度分布进行分析，发现主要矛盾为车内乘客周围温度分布不均匀。经过研究和分析，最终确定空调优化的整体方向为送风口位置和风道结构的优化。
接下来，针对空调的风量和送风温度对车内温度场分布的影响设计了不同工况，由于空调送风口靠近乘员舱前部，由于距离后部较远，空调风道流动阻力的影响使得后部乘客送风口的冷却气流风量要小于前部。且后部乘客本身在数量上多于前部，即热源较多，因此温度较高，从而导致舱内纵向的温度分布不均匀，乘员舱后部需要更多的冷却气流，是优化的重点。且根据横向的温度场分布，由于缺少斜向出风口，使得乘员舱内横向温度场均匀性较差。最后结合乘客头顶的温度分布，由于在空调总送风量 1.2kg/s，送风温度为 15℃的工况下，前部和中部的大部分乘客基本接近人体舒适温度，最终确定在此基础工况下对空调送风口、风道进行位置和结构的优化，为空调送风口和送风温度的优化研究提供了基础。
最后，针对后部乘员舱人数较多，冷却气流不足的主要问题。在基础工况的基础上，分别采用对后排增加乘客送风口、风道内添加导流板、去除风道内的加强筋等方案，为解决舱内横向的温度不均匀问题，在乘员舱后部增加了斜向的乘客送风口，提高了温度均匀性，改善了乘坐舒适性。
参考文献（略）
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