Výzkum systémů pro zajištění kvality prostředí v kabině automobilu
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Udržováním kvality vnitřního prostředí, zejména tepelného komfortu a vnitřní kvality vzduchu v kabinách automobilů, předcházíme dopravním nehodám. Tepelný komfort může mít vliv na kognitivní funkce důležité zejména pro řidiče. Mezi ně patří koncentrace, pozornost či rychlost rozhodování. Je známo, že nesprávná teplota v kabině automobilu patří mezi nejčastější faktory způsobující dopravní nehody. Jedním z faktorů vnitřní kvality prostředí je vnitřní kvalita vzduchu. Ta je vlivem silničního provozu negativně ovlivněna výfukovými plyny a částicemi z otěru pneumatik, které se během větrání dostávají do prostoru kabiny. Tomu lze předejít využitím systému recirkulace a opětovné filtrace vzduchu, u kterého se nepřivádí venkovní vzduch, ale jedná se o uzavřený oběh. Nevýhodou systému recirkulace jsou vyšší koncentrace CO2, což může způsobovat nadměrnou únavu. Dizertační práce se zabývá vlivem různých systémů větrání na vnitřní kvalitu prostředí, tj. tepelný komfort a vnitřní kvalitu vzduchu. Dílčím faktorem tepelného komfortu je rychlost proudění vzduchu, která byla v rámci této práce zkoumaná v prostoru za vyústkou. Pro měření proudového pole za automobilovou vyústkou byla použita metoda termoanemometrie. Experimentální výsledky byly doplněny o CFD analýzu. Tepelný komfort v kabině automobilu byl stanoven pomocí CFD, a to pro tři různé systémy větrání (směšovací, podlahové a stropní). Kromě klasického uspořádání interiéru byl předmětem zájmu i flexibilní interiér, u kterého jsou přední sedadla otočeny proti směru jízdy. Kvalita vzduchu pro jednotlivé systémy větrání byla posuzovaná taktéž na základě CFD, konkrétně byl využit index stáří vzduchu. Výzkum proudového pole potvrdil platnost využití empirického vztahu dle Rajaratnama pro určení poklesu osové rychlosti na reálnou automobilovou vyústku. Dále byla ověřena přesnost metod modelování turbulence Reynolds-averaged Navier–Stokes a Large Eddy Simulation, a to na základě všech sledovaných kritérií (úhly směrování, pokles osové rychlosti, rychlostní profily a porovnání intenzity turbulence). Studie tepelného komfortu poukazují na vhodnost použití stropního systému větrání pro letní podmínky, naopak v zimních podmínkách lze doporučit přívod vzduchu podlahovými vyústkami. Z pohledu indexu stáří vzduchu je nejvhodnější stropní větrání pro zimní podmínky. V letních podmínkách jsou hodnoty indexu stáří vzduchu u jednotlivých konceptů větrání velice podobné pro oba typy interiéru.
Optimal conditions of indoor environmental quality, especially thermal comfort and indoor air quality, are important because they lead to the active safety of passengers. Long-term exposure to inconvenient temperatures may cause thermal stress and negatively affects the driver’s cognitive functions. These include important abilities of drivers, such as concentration, vigilance, speed of decision-making and others. The inappropriate temperature in the cabin is one of the most dangerous factors causing car crashes. Air indoor quality is negatively affected by exhaust gases or particles from tire wear, which enter the car cabin during ventilation. This can be prevented by using an air recirculation system which does not supply outside air, but it is a closed circuit. This mode, however, causes high CO2 concentration in the cabin which can lead to excessive fatigue. This thesis deals with the influence of different ventilation systems on indoor environmental quality, i. e. thermal comfort and indoor air quality. A partial factor of thermal comfort is the flow field which was investigated downstream of a benchmark automotive vent. CFD was applied to determine the flow field downstream of a vent. The results were validated by experimental data acquired by Constant Temperature Anemometry. CFD has been also used for the evaluation of the thermal comfort of three novel ventilation systems (mixing, ceiling and floor ventilation). The results were validated by experimental data acquired by thermal manikin and climate chamber. Indoor air quality has been evaluated based on the Age of Air. The analytical empirical equation by Rajaratnam can be successfully used also to determine the throw of the jet, which is favorable, especially in light of the fact that both computational methods were not very accurate in velocity decay predictions. The Large Eddy Simulation and Reynolds-averaged Navier–Stokes method are suitable for evaluating the flow field downstream of the automotive vent. The diagrams of comfort zones were evaluated for all regimes based on equivalent temperatures. The best performance in terms of the highest level of human comfort was achieved by the ceiling ventilation in the summer conditions and by the floor ventilation in the winter conditions. From the point of view of the Age of Air, the ceiling air ventilation system is the most suitable for the winter conditions. In the summer conditions the Age of Air values for individual air ventilation concepts are very similar for both interior types.
Optimal conditions of indoor environmental quality, especially thermal comfort and indoor air quality, are important because they lead to the active safety of passengers. Long-term exposure to inconvenient temperatures may cause thermal stress and negatively affects the driver’s cognitive functions. These include important abilities of drivers, such as concentration, vigilance, speed of decision-making and others. The inappropriate temperature in the cabin is one of the most dangerous factors causing car crashes. Air indoor quality is negatively affected by exhaust gases or particles from tire wear, which enter the car cabin during ventilation. This can be prevented by using an air recirculation system which does not supply outside air, but it is a closed circuit. This mode, however, causes high CO2 concentration in the cabin which can lead to excessive fatigue. This thesis deals with the influence of different ventilation systems on indoor environmental quality, i. e. thermal comfort and indoor air quality. A partial factor of thermal comfort is the flow field which was investigated downstream of a benchmark automotive vent. CFD was applied to determine the flow field downstream of a vent. The results were validated by experimental data acquired by Constant Temperature Anemometry. CFD has been also used for the evaluation of the thermal comfort of three novel ventilation systems (mixing, ceiling and floor ventilation). The results were validated by experimental data acquired by thermal manikin and climate chamber. Indoor air quality has been evaluated based on the Age of Air. The analytical empirical equation by Rajaratnam can be successfully used also to determine the throw of the jet, which is favorable, especially in light of the fact that both computational methods were not very accurate in velocity decay predictions. The Large Eddy Simulation and Reynolds-averaged Navier–Stokes method are suitable for evaluating the flow field downstream of the automotive vent. The diagrams of comfort zones were evaluated for all regimes based on equivalent temperatures. The best performance in terms of the highest level of human comfort was achieved by the ceiling ventilation in the summer conditions and by the floor ventilation in the winter conditions. From the point of view of the Age of Air, the ceiling air ventilation system is the most suitable for the winter conditions. In the summer conditions the Age of Air values for individual air ventilation concepts are very similar for both interior types.
Description
Keywords
Výpočetní mechanika tekutin, termoanemometrie, tepelný manekýn, automobilová vyústka, rychlostní pole, kabina automobilu, tepelný komfort, kvalita prostředí, vnitřní kvalita vzduchu, stáří vzduchu, Computational Fluid Dynamics, Constant Temperature Anemometry, thermal manikin, automotive vent, velocity field, car cabin, thermal comfort, Indoor Environmental Quality, Indoor Air Quality, Age of Air
Citation
ŠÍP, J. Výzkum systémů pro zajištění kvality prostředí v kabině automobilu [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2023.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
Ing. Jaroslav Volavý, Ph.D. (člen)
prof. Ing. František Kavička, CSc. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Machan, CSc. (člen)
Ing. Petr Zelenský, Ph.D. (člen)
Mgr. Roman Ličbinský, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Marian Bojko, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2023-06-26
Defence
Práce představuje přínos poznání v oblasti větrání, konkrétně větrání vnitřního prostoru automobilu. Práce obsahuje omezené množství formálních nedostatků. Klíčovým přínosem jsou experimentálně indentifikovaná data a ověřená metodika výpočtu vnitřního prostředí automobilu.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení