PowerFLOW耦合仿真车辆座椅的热特性：使用仿真提高热舒适性

以下帖子是Lear公司的舒适与修边模拟小组负责人Dr. Thorsten Hans协调撰写的。Hans 博士于 2012 年在慕尼黑工业大学获得了机械工程文凭。随后，他在慕尼黑工业大学碳复合材料系担任研究助理，并于 2015 年获得博士学位。随后，他在复合材料行业担任 FEA 工程顾问，直到 2019 年，之后他加入了 Lear Corporation Engineering GmbH。

我们非常感谢与 SIMULIA 团队的合作。他们拥有专业且受过良好教育的员工，在仿真领域做得非常出色。我们谨慎处理了数据，并以谨慎和专业的方式使用了我们提供的指导。

Dr. Thorsten Hans，李尔公司的舒适与修边模拟组长

运输和移动 （T&M） 业务的主要驱动力之一是创造新颖的客户体验。客户不再仅仅满足于从 A 点到 B 点的旅行。他们希望在这样做的同时在他们的车辆中体验独特的感觉。其中一个主要组成部分是乘客的热舒适性。例如，在炎热或寒冷的日子里，可以分别使用空调或暖气来调节这种健康。满足乘客热舒适性的最直接方法是将这种冷空气或热空气吹入乘客身体和汽车座椅之间的界面，从而形成热调节的汽车座椅。过去，温控汽车座椅的设计（包括座椅结构、泡沫层和风扇）完全在实际的热测试台上进行。但是，这种方法是有局限性的：在测试域中无法访问完整的温度或速度场。当前的客户参考案例旨在展示一个首创的仿真工作流程，该工作流程使用PowerFLOW 系列–PowerTHERM 系列耦合仿真，用于评估 Lear Corporation 提供的车辆座椅的热特性。李尔公司是一家全球汽车供应商，仅在 2022 年的销售额就达到 209 亿美元。它是业内垂直整合程度最高的座椅供应商。

气候座椅本身集成了风扇，以产生通过坐垫和/或靠背泡沫的气流（见图 1）。有不同的冷却系统可供选择：例如，压制/吸入环境空气或通过座椅的主动冷却空气。此外，为了确保气流通过阀座的分布，组装了几个材料层（见图 1）。这是因为，根据身体区域的不同，不同程度的气流感觉是“舒适”的（例如，肾脏与臀部）。

图 1：带风扇的真实热调节阀座

在数字域中复制的实际设置包括以下内容。阀座位于 25°C 的气候室中，而室外的空气设置为 20°C 的环境值（见图 2）。在现实世界中，座椅由红外灯加热到 65°C 的表面温度;在仿真域中，这只是作为座椅表面皮革层的边界条件施加的。随后，关闭灯，打开气候室的门，打开座椅的空调。这表示模拟启动/启动的时间：风扇打开，将冷空气吹过座椅层。

图 2：（a） 数字气候箱和 （b） 初始温度分布

现在，我们进一步了解实际的仿真工作流程和组件建模，例如风扇和座椅层。PowerFLOW-PowerTHERM 接头的工作原理如下。PowerFLOW 是流动求解器，用于模拟周围空气的对流效应。然后，将传热系数和壁面相邻流体温度馈送到 PowerTHERM 求解器中。它在指定的时间间隔内计算相关固体成分的辐射和传导传热机制。随后，固体表面温度被反馈到对流 PowerFLOW 求解器中。这个过程以预定义的耦合间隔重复，如图 3 所示。

图 3：PowerFLOW-PowerTHERM 耦合

继续前进，为了节省模拟成本，没有明确模拟位于座椅泡沫中的径向风扇（参见图 4a）。具体来说，它们是使用质量流边界条件建模的。为了获得正确的气流温度，执行了从质量流出口（相对于仿真域）温度到质量流入口温度的映射（参见图 4b）。风扇在座椅中的位置图片如图 4c 所示。现在很容易考虑将座椅结构和泡沫的哪些成分视为传导固体和对流流体。塑料支架、钢支架和皮革头枕都被建模为实心外壳（图 5a）。同样，固体泡沫和固体状顶垫泡沫也被建模为固体，即这里也模拟了传导而不是对流（图 5b）。同时，蜂窝垫片的多孔特性使其能够作为绝热多孔介质进行处理，这意味着该层被建模为具有对流的流体（图 5c）。最后，皮革层也被认为是致密的，这意味着它被建模为用于传导的固体体积。然而，重要的是要注意，在皮革层上添加了 1 毫米半径的穿孔，以允许通过该座椅层产生对流效应（图 5d）。

图 4：（a） 不模拟径向风扇，（b） 绘制风扇的质量流量温度，以及 （c） 位于座椅泡沫中的风扇

在讨论了数字化冷却热座场景的设置之后，现在查看温度结果。这是通过查看 3D 温度等值线图、2D 温度等值线图以及 1D 温度演变图来完成的。首先，查看垫子（即 Kissen）。在图 6 中，顶行表示实验数据，而底行显示仿真结果。在 0 秒时，实验数据和模拟数据都显示一个垫子或多或少具有 65°C 的均匀温度——这是座椅初始化到的温度。

图 5：（a） 将塑料支架、钢支架和皮革头枕建模为用于传导的实心外壳，（b） 将固体泡沫和固体状礼垫泡沫建模为用于传导的固体，（c） 将多孔蜂窝垫片建模为用于对流的绝热多孔介质，以及 （d） 将带有穿孔的皮革层建模为固体，用于传导耦合通过穿孔的对流

图 6：实验（顶行）和模拟（底行）中垫子（即 Kissen）温度演变的 3D 等值线图

图 7：实验（顶行）和模拟（底行）中靠背（即 Lehne）温度演变的 3D 等值线图

图 8：实验和模拟中 （a） 靠垫（即 Kissen）和 （b） 靠背（即 Lehne）的一维温度演变图

同时，在 30 秒的时间里，实验数据显示缓冲层温度略低于 50°C。 这仅在风扇附近的仿真数据中看到，这表明通过皮革层的传导冷却在数字化设置中并不像在现实世界中那样突出。随着时间的推移，这种趋势仍在继续：在腔室门打开并打开座椅空调后的 60 秒内，实验数据显示，坐垫温度几乎均匀地低于 45°C，而在模拟中，这同样只出现在风扇位置附近。然而，一旦冷却时间进展到 300 秒，实验和模拟之间就会出现更具比较性的情况：实验和模拟都显示缓冲温度约为 40°C。 在图 8a 中，可以看到皮革层平均温度的一维演变，并且可以清楚地看到，在温度演变过程中，模拟曲线一直高于实验曲线，直到从长远来看，两条曲线都会收敛。此外，现在还分析了靠背（即 Lehne）的冷却。相应的 3D 温度等值线图如图 7 所示，其中顶行表示实验数据，底行表示仿真数据。不幸的是，靠背的比较不如靠垫的比较好。靠背的冷却速度在仿真中明显慢于实验中，这表明靠背区域中的元件没有像仿真中应有的冷却一样冷却。这在图 9a-c 的 2D 温度场图中可以清楚地看到。在那里，人们可以清楚地看到靠背区域如何保持温暖/热度，而坐垫附近会随着时间的推移而冷却。冷却开始后 300 秒，模拟中的平均靠背温度仍约为 45°C，而实验中约为 37.5°C。 如图 8b 所示，靠背的 1D 温度演变图显示，仿真冷却曲线平均至少比实验数据高 8°C，尤其是在 60 秒的冷却时间之后。

图 9：（a） t~100s、（b） t~200s 和 （c） t~300s 的 2D 时间温度场 t

此外，从温度数据中可以看出，在座椅冷却场景中执行计算流体动力学的一大优势是可以访问全流场数据。因此，可以绘制速度流线来评估流场的方向性。这样做了，结果如图 10 所示。显然，坐垫和靠背，尤其是靠背的冷却相关性差，可以明显归因于整个穿孔皮革层中较冷空气的分布不令人满意。

图 10：速度流线，用于显示通过座椅层的流动方向性

总体而言，已经提出了李尔公司加热座椅冷却场景的数字化表示，并与实验结果进行了比较。垫子的冷却速率实现了良好的相关性，因为垫子附近的区域会随着时间的推移而冷却。不幸的是，靠背的相关性较差，因为靠背附近的结构会随着时间的推移而保持高温，这表明靠背组件的建模传导并不完全准确。冷空气通过有穿孔的皮革层分布不足也可能是一种解释。最后，这种仿真为更复杂的仿真场景打开了大门，例如与结构仿真的顺序耦合以获得变形的座椅，使用人体舒适度模型评估舒适性，和/或座椅的原位车辆仿真。