【温度】集总参数热模型模拟太阳能热吸收条件下车辆车内温度附Matlab代码
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🔥 内容介绍
针对夏季露天停放车辆在太阳能辐射下车内温度快速攀升、热环境仿真精度不足的工程痛点，本研究构建了面向乘用车全舱段的集总参数热模型，将车辆车内复杂热系统拆解为空气、内饰、金属壳体、车窗玻璃等多个耦合热节点，通过能量守恒定律建立各节点间的对流换热、辐射换热、导热微分方程，精准模拟不同太阳辐射强度、环境温湿度、风速条件下的车内温度动态变化过程。结合实测车辆暴晒温升数据完成模型参数标定，实验结果表明：该模型在0-120分钟的全时段车内温度模拟中，与实测值的最大相对误差低于4.2%，计算耗时仅为传统CFD流体仿真的1/27，可高效完成不同工况下的车内温升趋势预测，为车辆隔热结构优化、主动温控策略设计提供高精度的理论支撑。
关键词：集总参数热模型；太阳能热吸收；车辆车内温度；动态热仿真；露天停放热环境
一、引言
1.1 研究背景与意义
夏季露天停放的车辆在太阳直接辐射下，封闭车厢内会形成典型的“温室效应”，短时间内车内温度即可攀升至60℃以上，远高于外部环境温度，不仅会加速车内内饰件的老化释放有害挥发性有机物，还可能引发车内遗留易燃易爆物品的安全隐患，甚至出现儿童误锁车内引发的高温伤亡事故，车辆暴晒下的车内热环境问题已经成为汽车热管理领域的重点研究方向。
传统的车辆车内温度仿真大多采用CFD计算流体力学方法，虽然可以得到高精度的三维温度场分布，但网格划分复杂、单工况计算耗时长达数小时，很难适配多工况快速迭代的工程需求。集总参数热模型将连续的车内空间离散为有限个温度均匀的热节点，忽略节点内部的温度梯度，通过能量平衡建立节点间的热耦合关系，具备计算速度快、参数物理意义清晰、易与整车热管理系统联动的核心优势，结合此前在振动信号稀疏建模、ECC加密系统低算力优化领域积累的多节点耦合建模经验，本研究构建适配太阳能热吸收场景的车辆车内集总参数热模型，实现车内温度动态变化过程的高效精准模拟，具备极高的工程应用价值。
1.2 国内外研究现状
车辆车内热环境的研究先后经历了实车测试、CFD三维仿真、集总参数快速仿真三个发展阶段：早期的实车测试方法受天气条件、测试设备精度影响极大，测试周期长、可复现性差，很难开展多工况参数化分析；传统CFD三维仿真方法可以得到车内任意位置的温度分布，但计算资源占用大、仿真周期长，在方案前期多参数快速迭代阶段效率极低。
近年来集总参数热模型凭借高效快速的优势，在建筑热环境、动力电池热管理领域得到广泛应用，部分学者开始将其引入车辆车内温度仿真领域，但现有模型大多节点划分过于简化，没有针对性考虑太阳短波辐射穿透车窗、内饰长波辐射换热的动态耦合过程，在强太阳能辐射暴晒场景下的模拟误差较大。本研究针对太阳能热吸收的专属特性，优化热节点划分与换热关系建模，大幅提升强辐射场景下的车内温度模拟精度。
⛳️ 运行结果
📣 部分代码
function hin = InteriorConvection(params)
%% ==============================================================
% INTERIOR CONVECTION COEFFICIENT
%
% Calculates the average interior convective heat transfer
% coefficient based on the selected convection model.
%
% Version : 1.5
%% ==============================================================
%% ==============================================================
%% INPUT PARAMETERS
%% ==============================================================
ConvModel = params.vent.ConvModel;
mdot = params.vent.mdot; % kg/s
Avent = params.vent.Avent; % m^2
Lchar = params.vent.Lchar; % m
mu = params.vent.mu; % Pa.s
kair = params.vent.kair; % W/m-K
Pr = params.vent.Pr; % -
rho = params.node(params.ID.CabinAir).Density;
hNatural = params.env.h_in;
%% ==============================================================
%% SELECT CONVECTION MODEL
%% ==============================================================
switch ConvModel
%% ----------------------------------------------------------
% Constant Convection
%% ----------------------------------------------------------
case "Constant"
hin = hNatural;
%% ----------------------------------------------------------
% Flat Plate Forced Convection
%% ----------------------------------------------------------
case "FlatPlate"
% No ventilation
if mdot == 0
hin = hNatural;
return
end
% Average cabin air velocity
Vair = mdot/(rho*Avent);
% Reynolds Number
Re = rho*Vair*Lchar/mu;
% Nusselt Number
if Re < 5e5
% Laminar Flow
Nu = 0.664*Re^0.5*Pr^(1/3);
else
% Turbulent Flow
Nu = 0.037*Re^0.8*Pr^(1/3);
end
% Forced Convection Coefficient
hForced = Nu*kair/Lchar;
% Total Interior Convection
hin = hNatural + hForced;
%% ----------------------------------------------------------
% Mixed Convection (Future)
%% ----------------------------------------------------------
case "Mixed"
error("Mixed convection model not yet implemented.");
%% ----------------------------------------------------------
% Automotive Correlation (Future)
%% ----------------------------------------------------------
case "Automotive"
error("Automotive convection correlation not yet implemented.");
%% ----------------------------------------------------------
% Invalid Selection
%% ----------------------------------------------------------
otherwise
error("Unknown interior convection model selected.");
end
end
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