泄压阀对乘客舱通风流量和舱内压强影响的评估

王夫亮

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201206，中国）

汽车乘客舱内的空气质量会影响乘员的舒适性甚至安全和健康状况，空气质量不佳的舱内环境容易使人疲劳、注意力不集中，影响乘坐感受甚至驾驶安全性[1～5]。

G. Mathur对座舱碳二氧化物的积累与乘员、车速、车辆泄漏、车龄影响、新旧车辆和环境温度等因素的关系进行了大量的实验研究[6～11]。J. D. Power公司对中国和全球新车的车内空气质量进行了展示研究，“令人不快的车内气味”是第一大消费者投诉[12]。乘客舱良好的通风能力有助于持续从外界获得新鲜空气，使乘客舱内保持较高的空气质量，提高驾乘人员的舒适性。如果乘客舱通风不畅，乘客舱内的空气就无法及时地与外界进行交换，引起空气质量下降。此外，通风不畅还会导致舱内压强升高，引起驾乘人员耳部不适。

乘客舱通过车身上的开口与周围环境进行空气交换，这些开口的设计直接影响了乘客舱的空气质量和通风性能。这些开口包括内饰板/仪表板间隙、前后侧门缝、天窗缝隙、行李箱/尾门缝隙和泄压阀(pressure relief valve，PRV)[13]。由泄压阀PRV引起的泄漏称为可控泄漏(controlled leakage)，由其它车身间隙/缝隙引起的泄漏称为非可控泄漏(uncontrolled leakage)。

为了获得理想的乘客舱舱内空气质量以及舱内压强，需要对乘客舱的泄漏进行合理的设计。产生非可控泄露的开口形状复杂，缝隙较小，在设计时难以进行准确的控制。产生可控泄漏的泄压阀大多设计在车身后端行李箱的侧壁上，通过乘客舱内外的压强差控制阀的开闭。当舱内压强大于外界压强时，泄压阀风门在压强作用下产生一定开度，排出一部分舱内空气，舱内压强减小，从而起到调节舱内空气流量和压强的作用。

对于流场相关的问题，可以通过流场计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)仿真计算获得流速、流量和气流压强等结果，为系统和零件的设计提供支持和参考。然而乘客舱非可控泄漏难以准确建模，可控泄漏（泄压阀）风门在气流压强作用下处于动态调节过程中，相应的流场仿真计算需进行时间相关的动边界数值模拟，计算量大，难以快速支持工程设计。

本文利用流场CFD仿真分析和乘客舱通风流量—舱内压强试验结果，对非可控泄漏和非可控泄漏的影响进行等效处理，建立了泄压阀对乘客舱通风流量和舱内压强影响的评估方法，为泄压阀设计提供有益参考。

1 分析方法和流程

本文针对某款多用途汽车(multi-purpose vehicles,MPV)，结合该车型乘客舱通风流量—舱内压强性能试验获得的通风流量和乘客舱内压强数据，对乘客舱内流场进行仿真计算，并对仿真得到的舱内压强和泄漏面积数据进行拟合，获得二者之间的变化规律，对非可控泄漏和可控泄漏等效开口面积进行标定和调整，先后建立了准确的非可控泄漏和可控泄漏的等效开口方案，并基于此开口方案，计算了不同流量和开口面积下的舱内流量—压强变化规律。

该车型乘客舱通风流量—舱内压强性能试验在室内环境中进行，试验过程中车辆处于静止状态，试验过程和结果分为泄压阀关闭和打开2种工况，见表1。

表1 乘客舱通风流量-舱内压强试验结果

基于此通风流量和舱内压强试验结果和乘客舱内流场仿真分析，建立了如下可控泄漏和非可控泄漏等效方案标定分析流程。首先设定乘客舱通风流量81 L·s-1，关闭泄压阀，用侧门缝开口等效非可控泄漏作用，将舱内压强仿真计算结果和试验结果进行比较，如果计算表压强高于125 Pa，增加非可控泄漏等效开口面积，如果计算表压强小于125 Pa，则减小非可控泄漏的等效开口面积。

当完成3个方案的计算后，对舱内压强和开口面积计算结果进行二次多项式拟合，根据拟合得到的二次多项式计算125 Pa对应的等效开口面积，然后根据面积计算结果来调整等效开口的大小，继续对乘客舱内流场进行计算。根据计算结果来更新拟合方程，根据新的拟合方程来计算非可控泄漏等效开口面积。

可控泄漏等效开口面积确定之后，利用同样的方法确定等效的泄压阀（可控泄漏）开口面积。非可控泄漏和可控泄漏的等效开口面积方案的确定过程总结如图1所示。获得等效可控泄漏和非可控泄漏开口面积之后，计算不同流量和开口面积条件下的乘客舱内流量—压强变化规律，为开发前期泄压阀设计和相应设计方案的舱内压强评估提供参考。

2 乘客舱模型

乘客舱内流场计算域如图2所示。舱内空间x向长度为4 m，y向宽度为1.72 m，z向高度为1.34 m，舱内空间体积为4.58 m3。前仪表板上的4个空调出风口作为计算域入口，仿真计算边界条件设置为速度入口，若令乘客舱通风体积流量为，空调出风口面积为A；则空调出风口速度为

非可控泄漏等效开口和可控泄漏开口（泄压阀）位置和形状如图3所示。非可控泄漏等效开口位于左右滑移门的门缝位置。通过多次拟合泄压阀关闭和打开情况下的舱内压强和泄漏面积对应关系曲线，逐步确定准确的非可控泄漏和可控泄漏开口面积大小。

试验过程中乘客舱内压强测点位于主驾头部位置，仿真计算的压强监控和输出点的位置与之相一致，取主驾头部位置正方体8个顶点压强的平均值作为乘客舱内的压强值，如图4所示。

3 数值方法与计算设置

计算网格如图5所示。计算域总网格数为1 400万。计算选用基于压强修正的SIMPLE算法，湍流模型为Realizable 模型，近壁区流场采用非平衡壁面函数进行处理，压强离散格式为Standard，动量、湍流动能和湍流耗散率离散格式为二阶迎风格式。张量指标形式表示的流场控制方程如式(1)—(3)所示，即为时均连续方程、Reynolds方程和标量的时均输运方程[14]。

式中： ρ为空气密度， t为时间，u为速度，u'为脉动速度，p为压强， s为源项，下标i和j指标取值范围为（1、2、3）。流场仿真计算边界条件如下表2所示。

表2 乘客舱内流场数值模拟边界条件设置

4 仿真结果与分析

4.1 非可控泄漏等效开口面积标定

图6所示为泄压阀关闭时，流线显示的乘客舱内的流动状态。气流从4个空调出风口流出，主要从乘客舱上部流向后方，大部分气流在第3排座椅的阻碍下，流动方向折返向前方，经由门缝等效开口流出乘客舱，少部分气流越过第3排座椅流向行李厢内。

图7为舱内乘客腰部位置水平面和纵向对称平面内的气流速度矢量分布。在座椅的阻碍作用下，气流在座椅前方形成回流，然后经由座椅中间的位置流向乘客舱空间后方，行李厢内气流速度较小。

确定非可控泄漏等效开口面积时，计算多组舱内压强和非可控泄漏开口面积数据，拟合得到开口面积(y = A/cm2)与舱内压强(x = p/Pa)之间的关系方程为：y = 0.003 7 x2-1.287 9 x+193.889 1，如图8所示。由图8可以看出：非可控泄漏等效开口面积与舱内压强之间的变化规律呈二次多项式的变化关系。

4.2 可控泄漏等效开口面积标定

图9所示为泄压阀打开时，气流速度矢量显示的乘客舱内的流动过程，气流从空调出风口向后流过两排座椅，一部分在第3排座椅阻碍下折返向前，从下方回流到乘客舱前部，大部分气流越过第3排座椅，在行李厢内从主驾侧的泄压阀流出乘客舱。气流的主要途径流经舱内乘员的头部位置，能够起到较好的空气流通作用，保持乘客舱内空气质量。

图10为气流稳定后乘客腰部、胸口、颈部和头部位置水平面内的速度分布，可以看出舱内乘客周围气流流动性较好，有利于较好地保持舱内空气的新鲜程度。

确定可控泄漏等效开口面积过程与前文所述类似。初步试算3个PRV开口的舱内压强值，拟合开口面积与舱内压强之间的变化关系方程，根据方程计算125 Pa对应的开口面积，然后利用这个开口面积进行舱内流场仿真计算，根据计算结果确认舱内压强值，最终获得125 Pa对应的PRV开口面积为118.42 cm2。PRV开口面积(y= A/mm2) 与舱内压强(x=p/Pa) 的拟合方程为： y = 0.011 1 x2- 3.788 7 x + 418.70，也呈二次多项式的变化关系，如图11所示。

4.3 舱内压强与通风流量的变化

乘客舱内的空气压强影响乘客舒适性，较高的耳内压强容易引起不适感而产生抱怨，乘客舱通风也需要足够流量的流动空气，保持舱内空气质量。因此在进行泄压阀设计时，需要考虑其与通风流量和舱内压强的相互关系。根据确定下来的非可控泄漏和可控泄漏等效开口方案，计算了多个通风流量(x = q/(L·s-1))下的乘客舱内压强(y = p/Pa)值，拟合二者之间的变化关系方程为： y = 0.004 9 x2- 0.019 9 x + 0.592 4。可见对于确定的可控泄漏和非可控泄漏设计方案，乘客舱内压强随通风流量的增加而以二次多项式的规律增大，可以参考这一规律进行空调系统通风流量和舱内压强的设计。

图12所示分别为乘客舱内平均压强为87 Pa时，乘客胸口位置水平面和副驾座椅中间位置竖直平面的压强分布图。从图中可以看出舱内前方位置压强高于后方，这是由于舱内前方位置气流速度高于后方，较高的气流速度形成较低的压强分布。乘客舱内压强分布较为均匀，最大和最小压强的差值小于1 Pa，表明舱内空气流动状况较为理想，没有形成局部的较高压强，泄压阀的设计位置和开口面积较为合理。

5 结 论

本文针对乘客舱内通风和空气压强设计时，难以直接确定非可控泄漏和可控泄漏的难题，根据舱内通风流量-舱内压强试验数据，建立了准确的可控泄漏和非可控泄漏等效方案和评估流程，研究了乘客舱通风流量、舱内压强和可控泄漏开口面积的相互变化规律，并对舱内通风时的气流流动状态和途径的动态过程进行了分析，主要结论如下：

1） 结合乘客舱内通风流量-舱内压强性试验数据和乘客舱内流场CFD仿真，可以获得准确的可控泄漏和非可控泄漏开口等效方案；

2） 泄漏开口面积和乘客舱压强、乘客舱压强和通风流量之间按照二次多项式规律变化；

3) 根据等效开口方案和舱内流场CFD计算结果，能够对舱内通风状况和气流途径进行详细的分析和评估，为泄压阀设计和乘客舱舒适性分析提供有益参考。