Otomobil kabininde hız ve sıcaklık dağılımının üç boyutlu sayısal analizi

Abstract

Bu çalışmada, otomobil kabininde hız ve sıcaklık dağılımının üç boyutlu sayısal analizi, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla gerçek bir otomobilin kabinine ait ölçüler referans alınarak cam ve dış yüzeyleri içeren üç boyutlu otomobil kabini modeli oluşturulmuştur. Otomobil kabininde gerçekleştirilen sayısal analiz sonuçlarını ısıl konfor açısından da değerlendirebilmek üzere gerçek insan vücudu ölçülerine ve şekline sahip 17 kısımdan oluşan sanal bir insan modeli, otomobil kabin modeline ilave edilmiştir. Otomobil kabininde, standart ısıtma ve soğutma süreci için sürekli ve geçici rejimde yapılan üç sayısal analizler sonucunda, hava akışı, insan vücuduna ait lokal ve genel ısıl karakteristikler ve kabin yüzeyleri için sıcaklık dağılımları elde edilmiştir. Sayısal simülasyonlarda, ısıl konfor değerlendirmesi yapabilmek için uygun sınır şartının belirlenmesine amacıyla farklı sınır şartları kullanılmıştır. Gerçekleştirilen sayısal analizlerde, hesaplama zamanları ve sonuçların hassasiyeti açısından optimum çözüm ağı yapısının elde edilebilmesi için farklı ağ yapıları kullanılmıştır. Kabin iç ortamını oluşturan yüzeyler arasında gerçekleşen ışınım ile ısı transferi hesaplamalarında, görüş faktörlerini içeren S2S(Yüzeyden yüzeye) modeli ve DO(Ayrık Ordinat) modeli kullanılmış ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Standart soğutma sürecinde otomobil klimasının soğutma yükü tüm simülasyonlarda aynı olacak şekilde, farklı tip giriş menfezlerinin kullanıldığı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Dolayısıyla soğutma sürecinde farklı tipte giriş menfezleri seçiminin, kabin iç ortamında hız, sıcaklık ve bağıl nem dağılımları üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Aynı zamanda hız dağılımını, insan vücudu yüzeyleri için lokal ve genel ısıl karakteristiklerini ve kabin yüzey sıcaklıklarını belirlemek amacıyla güneş ışınımının etkisinin de dikkate alındığı geçici rejimde soğutma simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Tezde yer alan sayısal simülasyonların büyük bir kısmında, eş zamanlı yürütülen deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlarla karşılaştırma yapılarak doğrulama gerçekleştirilmiştir.Otomobil kabininde 15?20 dakikalık ısıtma ve soğutma sürecinde hızlı geçici rejim koşulları elde edilmiştir. İnsan vücudu fizyolojik modelleri dikkate alındığında, insan vücut yüzeylerinde sabit sıcaklık sınır şartının kullanılmasının, insan vücut yüzeylerinde ısıl karakteristikleri değerlendirmek açısından, sabit ısı akısı sınır şartına göre daha gerçekçi olduğu söylenebilir. Tezde yer alan simülasyonların büyük bir kısmında, genel olarak otomobil kabin iç ortamında hesaplanan ve deneysel ölçümler sonucu elde edilen sıcaklık değerleri arasındaki fark yaklaşık 2°C elde edilmiştir. S2S veya DO ışınım modellerinin kabin iç yüzeyleri arasında ışınım ile gerçekleşen ısı transferi hesaplamalarında kullanılabileceği ancak bu modellerin hesaplama zamanları ve hazırlık zamanları açısından farklılıklar göstermektedir. İnsan vücudu ve kabin iç ortamı arasındaki ısıl etkileşimler dikkate alındığında, taşınım ile ısı transferinin ısıtma periyodu başlangıcında insan vücudu üzerinde büyük etkisinin olduğu ancak sürekli rejim koşullarına yaklaşıldığında, ışınım ile ısı transferinin insan vücudu üzerinde önemli rol oynadığı ifade edilebilir. Farklı tipte menfezlerin kullanıldığı soğutma simülasyonları sonucunda, tüm durumlarda farklı yapıda hız, sıcaklık ve bağıl nem dağılımları elde edilmiştir. Güneş ışınımının dahil edildiği soğutma simülasyonlarında elde edilen sonuçlar dikkate alındığında, güneş ışınımından doğrudan etkilenen yüzeylerde yüksek sıcaklık değerleri hesaplanmış ve bu yüzeylerin ortalama sıcaklıklarında, diğer yüzeylere kıyasla soğutma süresince daha yavaş azalma olduğu görülmüştür.

In this study, three dimensional numerical analysis of temperature and air flow distribution in the automobile cabin were performed by using Computational Fluid Dynamics (CFD) method. For this purpose, a three dimensional automobile cabin including window and outer surfaces was modeled by using the real dimensions of a car. To evaluate the results of numerical analysis according to thermal comfort, a virtual manikin divided into 17 parts with real dimensions and physiological shape was added to the model of the automobile cabin. Air flow, local and average thermal characteristics of the human body surfaces and temperature distributions of the cabin surfaces were obtained from the results of the 3D steady and transient numerical analyses for standard heating and cooling period of the automobile cabin. In the numerical simulations, different types of boundary conditions on the human body surfaces were used to determine the suitable boundary condition for evaluating thermal comfort. In the numerical analyses, different types of mesh structures were used to achieve optimum mesh structure in terms of computing time and precision results. S2S (Surface-to-Surface) model, including view factors, and DO (Discrete Ordinate) model were used for the calculation of radiation heat transfer among the interior surfaces of the cabin and the results were compared each other. In the standard cooling period, simulations were performed with different types of inlet vent(s) considering that the cooling load of the automobile HVAC system was same in all simulations. Therefore, the effects of selecting different type of inlet vent(s) on the air flow, temperature, and relative humidity distributions of the automobile cabin were investigated during the cooling period. Transient cooling simulation of the automobile cabin considering the solar radiation effects was also performed to determine the air flow distribution, local and average thermal characteristics of the human body and temperature distributions of the cabin surfaces. In the majority of the numerical simulations of this thesis, validations of the numerical results were achieved by comparing to the results of the experimental studies performed simultaneously with the numerical analyses.Highly transient conditions were obtained in the first 15 and 20 minutes of heating and cooling periods in the automobile cabin. Considering the physiological models of the human body, it can be said that using the constant temperature boundary condition on the human body surfaces is more realistic compared to the constant heat flux boundary condition for evaluating the thermal characteristics of the human body surfaces. In the majority of the numerical simulations of this thesis, the temperature differences between calculated and measured values in the automobile cabin environment were obtained about 2 °C in generally. S2S or DO model can be used for the calculations of the radiation heat transfer among the cabin interior surfaces but these models show differences in terms of computation and preprocessing time. Considering the heat interactions between human body surfaces and cabin environment, convective heat transfer has a great effect on the human body at the beginning of the heating period but radiative heat transfer has an important role on human body when the steady state conditions are approached. From the results of the cooling simulations with different type of inlet vent(s), air flow, temperature and relative humidity distributions have different structure in all cases. From the results of cooling simulations including solar radiation, high temperature values were calculated at the surfaces directly affected by the solar radiation in the automobile cabin and mean temperature of these surfaces was decreased slowly compared to the other surfaces during the cooling period.