以下帖子是與李爾公司舒適與裝飾模擬小組組長 Thorsten Hans 博士合作撰寫的。Hans 博士于 2012 年在慕尼黑工業(yè)大學(xué)獲得機(jī)械工程工程文憑。隨后，他擔(dān)任慕尼黑工業(yè)大學(xué)碳復(fù)合材料部門的研究助理，并于 2015 年獲得博士學(xué)位。隨后，他擔(dān)任復(fù)合材料行業(yè)的 FEA 工程顧問，直到 2019 年，隨后他加入了李爾公司工程有限公司。 

交通運(yùn)輸和移動(dòng)性 (T&M) 業(yè)務(wù)的主要驅(qū)動(dòng)因素之一是創(chuàng)造新穎的客戶體驗(yàn)?？蛻舨辉僦皇菨M足于從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)的旅行。他們希望在旅途中體驗(yàn)獨(dú)特的感覺。這其中的一個(gè)重要組成部分就是乘客的熱舒適度。這種舒適度可以通過在炎熱或寒冷的天氣分別使用空調(diào)或暖氣來調(diào)節(jié)。滿足乘客熱舒適度的最直接方法是將冷空氣或熱空氣吹過乘客身體和車輛座椅之間的界面，從而打造一個(gè)溫度調(diào)節(jié)的車輛座椅。過去，溫控車輛座椅（包括座椅結(jié)構(gòu)、泡沫層和風(fēng)扇）的設(shè)計(jì)完全是在現(xiàn)實(shí)世界的熱測試臺(tái)上進(jìn)行的。但這種方法有局限性：無法訪問測試域中的完整溫度或速度場。當(dāng)前的客戶參考案例旨在使用PowerFLOW – PowerTHERM耦合仿真用于評(píng)估李爾公司提供的車輛座椅的熱行為。李爾公司是一家全球汽車供應(yīng)商，僅 2022 年的銷售額就達(dá)到 209 億美元。它是業(yè)內(nèi)垂直整合程度最高的座椅供應(yīng)商。 

氣候座椅本身集成了風(fēng)扇，可通過坐墊和/或靠背泡沫產(chǎn)生氣流（見圖 1）。有不同的冷卻系統(tǒng)可供選擇：例如，通過座椅擠壓/吸入環(huán)境空氣或主動(dòng)冷卻的空氣。此外，為了確保氣流在座椅中的分布，座椅上組裝了多層材料（見圖 1）。這是因?yàn)?，根?jù)身體部位的不同，不同程度的氣流會(huì)讓人感覺“舒適”（例如腎臟與臀部）。 

圖 1：現(xiàn)實(shí)世界中帶風(fēng)扇的熱調(diào)節(jié)座椅

在數(shù)字領(lǐng)域中復(fù)制的真實(shí)世界設(shè)置包括以下內(nèi)容。座椅放置在 25°C 的氣候室中，而氣候室外部的空氣設(shè)置為 20°C 的環(huán)境值（見圖 2）。在現(xiàn)實(shí)世界中，座椅通過紅外燈加熱到 65°C 的表面溫度；在模擬域中，這僅僅是作為座椅表面皮革層的邊界條件。隨后，關(guān)閉燈，打開氣候室的門，打開座椅的空調(diào)。這表示模擬啟動(dòng)/開始的時(shí)間：風(fēng)扇打開，將冷空氣吹過座椅層。

圖 2：(a) 數(shù)字氣候室和 (b) 初始溫度分布

現(xiàn)在，我們來談?wù)剬?shí)際的模擬工作流程和組件建模，例如風(fēng)扇和座椅層。PowerFLOW-PowerTHERM 耦合的工作原理如下。流動(dòng)求解器 PowerFLOW 模擬周圍空氣的對流效應(yīng)。然后，將傳熱系數(shù)和壁面附近流體溫度輸入 PowerTHERM 求解器。它在指定的時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算相關(guān)固體組件的輻射和傳導(dǎo)傳熱機(jī)制。隨后，將固體表面溫度反饋到對流 PowerFLOW 求解器中。此過程以預(yù)定義的耦合間隔重復(fù)進(jìn)行，如圖 3 所示。

圖 3：PowerFLOW-PowerTHERM 耦合

接下來，為了節(jié)省模擬成本，沒有明確模擬座椅泡沫中的徑向風(fēng)扇（見圖 4a）。具體來說，它們是使用質(zhì)量流邊界條件建模的。為了能夠獲得正確的氣流溫度，執(zhí)行了從質(zhì)量流出口（相對于模擬域）溫度到質(zhì)量流入口溫度的映射（見圖 4b）。圖 4c 中可以看到座椅中風(fēng)扇的位置圖?，F(xiàn)在很容易考慮座椅結(jié)構(gòu)和泡沫的哪些組件應(yīng)該被視為傳導(dǎo)的固體和對流的流體。塑料支架、鋼支架和皮革頭枕都被建模為固體殼（圖 5a）。同樣，固體泡沫和類似固體的頂墊泡沫也被建模為固體，即這里也模擬了傳導(dǎo)而不是對流（圖 5b）。同時(shí)，蜂窩狀墊片的多孔性質(zhì)保證了它們作為絕熱多孔介質(zhì)的處理，這意味著該層被模擬為具有對流的流體（圖 5c）。最后，皮革層也被認(rèn)為是緊湊/致密的，這意味著它被模擬為傳導(dǎo)的固體體積。然而，值得注意的是，在皮革層上添加了 1mm 半徑的穿孔，以便通過該座椅層實(shí)現(xiàn)對流效應(yīng)（圖 5d）。這意味著它被建模為傳導(dǎo)實(shí)體。然而，值得注意的是，皮革層上增加了半徑為 1 毫米的穿孔，以便通過該座椅層實(shí)現(xiàn)對流效應(yīng)（圖 5d）。這意味著它被建模為傳導(dǎo)實(shí)體。然而，值得注意的是，皮革層上增加了半徑為 1 毫米的穿孔，以便通過該座椅層實(shí)現(xiàn)對流效應(yīng)（圖 5d）。

圖 4：(a) 未模擬徑向風(fēng)扇，(b) 映射風(fēng)扇的質(zhì)量流溫度，以及 (c) 放置在座椅泡沫中的風(fēng)扇

討論了數(shù)字化冷卻熱座椅場景的設(shè)置后，現(xiàn)在來看看溫度結(jié)果。這可以通過查看 3D 溫度輪廓圖、2D 溫度輪廓圖以及 1D 溫度演變圖來完成。首先，查看坐墊（即 Kissen）。在圖 6 中，頂行代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而底行顯示模擬結(jié)果。在 0 秒時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)都顯示坐墊的溫度大致均勻，為 65°C – 這是座椅初始化時(shí)的溫度。

圖 5：(a) 將塑料支架、鋼支架和皮革頭枕建模為用于傳導(dǎo)的固體外殼；(b) 將固體泡沫和類似固體的頂墊泡沫建模為用于傳導(dǎo)的固體；(c) 將多孔蜂窩墊片建模為用于對流的絕熱多孔介質(zhì)；(d) 將帶穿孔的皮革層建模為用于傳導(dǎo)和通過穿孔進(jìn)行的對流耦合的固體

圖 6：實(shí)驗(yàn)（上行）和模擬（下行）中墊子（即 Kissen）的溫度變化的 3D 輪廓圖

圖 7：實(shí)驗(yàn)（上行）和模擬（下行）中靠背（即 Lehne）溫度變化的 3D 輪廓圖

圖 8：實(shí)驗(yàn)和模擬中（a）坐墊（即 Kissen）和（b）靠背（即 Lehne）的一維溫度變化圖

同時(shí)，在 30 秒時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示坐墊溫度略低于 50°C。這僅在風(fēng)扇附近的模擬數(shù)據(jù)中可見，表明通過皮革層的傳導(dǎo)冷卻在數(shù)字化設(shè)置中并不像在現(xiàn)實(shí)世界中那樣突出。隨著時(shí)間的推移，這種趨勢仍在繼續(xù)：在打開艙門并打開座椅空調(diào) 60 秒后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示坐墊溫度幾乎均勻低于 45°C，而在模擬中，這再次僅在風(fēng)扇附近可見。然而，一旦冷卻進(jìn)行到 300 秒，實(shí)驗(yàn)和模擬之間就會(huì)出現(xiàn)更具可比性的畫面：實(shí)驗(yàn)和模擬都顯示坐墊溫度約為 40°C。

在圖 8a 中，我們可以看到皮革層平均溫度的 1D 演變，并且可以清楚地看到，在溫度演變過程中，模擬曲線始終高于實(shí)驗(yàn)曲線，直到長期來看兩條曲線收斂。此外，現(xiàn)在分析靠背（即 Lehne）的冷卻。相應(yīng)的 3D 溫度輪廓圖如圖 7 所示，其中頂行再次代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，底行代表模擬數(shù)據(jù)。不幸的是，靠背的對比效果不如坐墊。模擬中靠背的冷卻速度明顯慢于實(shí)驗(yàn)，這表明靠背區(qū)域的元素在模擬中沒有得到應(yīng)有的冷卻。這可以在圖 9a-c 的 2D 溫度場圖中清楚地看到。在那里，我們可以清楚地看到靠背區(qū)域如何保持溫暖/炎熱，而靠墊附近則隨著時(shí)間的推移而冷卻。冷卻開始后 300 秒，模擬中的平均靠背溫度仍然約為 45°C，而在實(shí)驗(yàn)中則約為 37.5°C。圖 8b 中可以看到靠背的 1D 溫度變化圖，顯示模擬冷卻曲線平均比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高出至少 8°C，特別是在冷卻時(shí)間達(dá)到 60 秒之后。從圖 8b 中可以看出，模擬冷卻曲線平均比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高出至少 8°C，特別是在冷卻時(shí)間達(dá)到 60 秒之后。從圖 8b 中可以看出，模擬冷卻曲線平均比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高出至少 8°C，特別是在冷卻時(shí)間達(dá)到 60 秒之后。

圖 9：時(shí)間 t 的二維溫度場，(a) t~100s，(b) t~200s，(c) t~300s

此外，正如溫度數(shù)據(jù)所示，對座椅冷卻場景進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析的一大優(yōu)勢是可以獲得完整的流場數(shù)據(jù)。因此，可以繪制速度流線圖來評(píng)估流場的方向性。我們已完成這項(xiàng)工作，結(jié)果如圖 10 所示。顯然，坐墊和靠背的冷卻相關(guān)性較差，尤其是靠背，這顯然可以歸因于較冷的空氣在整個(gè)穿孔皮革層中的分布不理想。

圖 10：速度流線顯示流經(jīng)閥座層的流動(dòng)方向

總體而言，本文展示了李爾公司熱座椅冷卻場景的數(shù)字化表示，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。由于坐墊附近的區(qū)域會(huì)隨著時(shí)間的推移而冷卻，因此坐墊的冷卻速度具有良好的相關(guān)性。不幸的是，靠背的相關(guān)性較差，因?yàn)榭勘掣浇慕Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間的推移而保持高溫，這表明靠背組件的模型傳導(dǎo)并不完全準(zhǔn)確。通過穿孔的皮革層，冷空氣分布不足也可能是一個(gè)原因。最后，這種模擬為更復(fù)雜的模擬場景打開了大門，例如順序耦合到結(jié)構(gòu)模擬以獲得變形座椅，使用人體舒適度模型評(píng)估舒適度，和/或座椅的現(xiàn)場車輛模擬。